Brevet FR2887611A1 — publié le 20061229

La présente invention concerne le domaine des réservoirs contenant des fluides sous pression, notamment destiné au transport de gaz naturel. Dans les gisements pétroliers situés en mer, on souhaite valoriser le gaz associé aux hydrocarbures liquides produits. Ce souci de valoriser le gaz nécessite de prévoir des moyens de transport du gaz jusqu'au lieu de consommation. Le gaz peut être envoyé dans une usine de liquéfaction située soit à terre, l'usine étant reliée par pipe-line au gisement en mer, soit en mer sur une barge flottante ancrée sur le site du gisement. Ensuite, des navires méthaniers permettent d'exporter le gaz naturel liquide à pression atmosphérique. Cependant, l'usine de liquéfaction nécessite d'importants investissements. De plus, une usine de liquéfaction est bien adaptée pour les productions de gaz en grande quantité. Par contre, la mise en oeuvre d'une usine de liquéfaction n'est pas rentable pour des champs produisant de relativement faibles quantités de gaz. Par conséquent, en remplacement du transport du gaz naturel liquide, on envisage de transporter du gaz sous forme comprimée et réfrigérée, par exemple à une pression comprise entre 100 bars et 200 bars et à une température voisine de -35 C, au moyen de navires munis de réservoirs spécialement adaptés. Le document FR 2 844 337 propose un procédé de transport de gaz naturel comprimé et réfrigéré. Pour que le transport de gaz naturel comprimé et réfrigéré soit économiquement intéressant, il faut que le rapport entre le poids de gaz 25 contenu dans un réservoir par rapport au poids propre du réservoir rempli de gaz (c'est-à-dire le poids du réservoir plus le poids du gaz qu'il contient) soit le plus grand possible. Actuellement, ce rapport est compris entre 0,25 et 0,30. 2887611 2 La présente invention propose un réservoir qui permet de contenir un fluide sous haute pression et, éventuellement, à basse température, en maximisant le poids du fluide contenu dans le réservoir par rapport au poids propre du réservoir. De manière générale, la présente invention concerne un réservoir pour contenir un fluide sous pression comportant un corps tubulaire en métal fretté circonférentiellement par des enroulements de rubans composés de fibres enrobées dans une matrice polymère, chaque extrémité du corps tubulaire 1 o étant fermée par une pièce de fond. Le réservoir comporte, en outre, des moyens de maintien qui supportent une partie des efforts axiaux engendrés par une pression appliquée dans le réservoir sur les pièces de fond. Selon l'invention, les moyens de maintien peuvent consister en au 15 moins un tirant qui relie les deux pièces de fond. Ce tirant peut être fixé directement aux pièces de fond ou sur des pièces intermédiaires en appui sur les pièces de fond. Les pièces de fond peuvent être liées par des soudures au corps tubulaire. Les pièces de fond peuvent comporter une surface extérieure cylindrique, les rubans de frettage recouvrant, en outre, les soudures et lesdites surfaces extérieures cylindriques. Le réservoir selon l'invention peut comporter au moins 10 tirants répartis autour du corps tubulaire. Les tirants peuvent être en acier ou en fibres de carbone. Selon l'invention, le corps tubulaire peut comporter une surépaisseur, un perçage étant pratiqué dans la surépaisseur de manière à communiquer avec le volume intérieur du réservoir. Selon l'invention, les rubans peuvent comporter des fibres de carbone ou des fibres de verre, et la matrice peut être un polymère thermoplastique. Selon l'invention, le corps tubulaire peut être soumis à des contraintes de compression provenant des rubans enroulés sous tension autour du corps tubulaire. Alternativement, le corps tubulaire peut être déformé plastiquement sous l'effet d'une pression appliquée à l'intérieur du réservoir, de manière à ce que les rubans introduisent des contraintes de compression dans le corps tubulaire. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront mieux compris et apparaîtront clairement à la lecture de la description faite ci-après 1 o en se référant aux dessins parmi lesquels: la figure 1 représente un réservoir selon l'invention, - la figure 2 représente une variante du réservoir selon l'invention, les figures 3 à 5 illustrent les étapes de fabrication d'un réservoir selon l'invention. La figure 1 représente un réservoir 1 adapté pour contenir un fluide sous haute pression, par exemple à une pression supérieure à 50 bars, bars ou 150 bars, et éventuellement à basse température, par exemple à une température comprise entre -100 C et 0 C, de préférence entre -70 C et 20 C. Par exemple, le réservoir 1 est destiné à accueillir un gaz naturel à environ 100 bars et à une température voisine de -35 C. Le réservoir 1 est formé d'un corps tubulaire 2 composé d'un ou de plusieurs tronçons de tubes ou viroles métalliques, par exemple en acier. Ces tronçons de tubes peuvent être obtenus à partir de feuillards soudés, par moulage ou bien par laminage. De préférence, on choisit un acier qui présente de bonnes caractéristiques mécaniques à basse température, par exemple un acier comportant du nickel. Sur la figure 1, le tube cylindrique 2 est formé de trois tronçons 2a, 2b et 2c qui sont soudés ensemble pour former un cylindre continu dont l'axe A-A' constitue l'axe du réservoir 1. Le tube 2 est fermé par les pièces de fond 4 et 5 qui peuvent être soudées aux extrémités du tube 2. Le corps tubulaire 2 est soumis à des précontrainte de compression afin de mieux résister à la pression interne. D'une part, le tube 2 subit des précontraintes axiales, c'est-à-dire dans la direction de l'axe A-A'. Les précontraintes axiales sont engendrées par des moyens de maintien décrit ci-après. D'autre part, le tube 2 subit des précontraintes circonférentielles induites par un frettage, décrit ci-après. 1 o Le tube 2 est fretté, c'est-à-dire que des rubans 3 en matériau composite sont enroulés sur la surface extérieure du tube 2. Les rubans sont constitués de fibres, par exemple fibres de verre, de carbone ou d'aramide, les fibres étant enrobées dans une matrice polymère, thermoplastique ou thermodurcissable, telle qu'un polyamide. Les rubans composites 3 sont sous tension afin d'introduire une précontrainte circonférentielle dans les tronçons de tubes métalliques. Par exemple, les rubans 3 sont mis en tension lors de l'enroulement autour du cylindre métallique 2 selon les techniques décrites dans les documents FR 2 828 121, FR 2 828 262 et US 4 514 245. Alternativement, le tube 2 peut être auto-fretté : la contrainte de frettage est introduite lors d'une épreuve hydraulique du tube 2 à une pression provoquant le dépassement de la limite élastique dans le cylindre métallique. En d'autres termes, on enroule des rubans 3 en matériau composite autour du tube 2 en métal. Lors de l'opération d'enroulement, les rubans 3 n'induisent pas de contrainte ou n'induisent qu'une très faible contrainte dans le tube métallique 2. Puis, on applique une pression déterminée à l'intérieur du tube 2 de sorte que la contrainte dans le métal dépasse la limite élastique du métal et que le tube se déforme de manière plastique. La pression peut être appliquée dans le tube 2 par l'introduction d'un fluide sous pression dans le réservoir 1. Après retour à la pression nulle, il subsiste des contraintes résiduelles de compression dans le tube métallique 2 et des contraintes de traction dans les rubans 3 en matière composite. Le tube fretté 2 est fermé par les pièces de fonds 4 et 5. Les pièces 4 et 5 peuvent être raccordées aux extrémités du tube 2 au moyen des soudures 7 et 8. De préférence, les pièces de fonds 4 et 5 ont une forme hémisphérique ou elliptique, ou une forme approchant la forme hémisphérique ou elliptique. Les pièces de fonds 4 et 5 sont en métal, de préférence dans un métal identique à celui du tube 2. L'épaisseur des pièces de fonds 4 et 5 est déterminée en fonction de la pression interne maximum à laquelle le réservoir 1 doit pouvoir résister. Selon un mode de réalisation, la pièce de fond 4 possède une forme représentée par la figure 2: au niveau de la soudure 7, la pièce 4 possède une épaisseur sensiblement identique à l'épaisseur du tronçon 2a qui compose une extrémité du tube métallique 2. Le réservoir fretté représenté par la figure 2 peut être obtenu en effectuant les étapes suivantes. Etape 1. En référence à la figure 3, la pièce de fond 4 présente une épaisseur e sensiblement constante, cette épaisseur étant supérieure à l'épaisseur E du tube 2. On usine la pièce de fond 4 de manière à éliminer la matière en surépaisseur hachurée. Ainsi, la surface extérieure de l'extrémité de la pièce de fond 4 présente une forme cylindrique de mêmes diamètres extérieur et intérieur que le tube 2. Etape 2. En référence à la figure 4, on assemble bout-à-bout le tube 2 avec la pièce de fond 4 par soudage. Les surfaces intérieure et extérieure du tube 2 sont en continuité avec les surfaces intérieure et extérieure de la pièce de fond 4. La soudure est arasée, par exemple par meulage. Etape 3. En référence à la figure 5, on frette le tube 2 et une partie de la pièce de fond 4 en enroulant des rubans 3 autour de ces éléments. Le 2887611 6 frettage 3 recouvre toute la surface extérieure du tube 2, la soudure 7, ainsi que la partie cylindrique de la pièce de fond 4. Ainsi, au niveau de la soudure 7, le réservoir représenté à la figure 2 comporte une continuité dans l'épaisseur de l'acier et une continuité du frettage qui ont pour avantage de maintenir une continuité de la précontrainte à la liaison entre le tube 2 et le fond 4. De plus, le réservoir ne possède pas de variation brusque d'épaisseur qui pourrait induire des concentrations de contraintes notamment lorsque le réservoir subit des variations importantes de température lors du remplissage avec du gaz naturel refroidi, ou lorsque le 1 o réservoir contient un fluide sous haute pression. En outre, sur la figure 2, le frettage 3 recouvre la soudure 7 et une partie de la pièce de fond 4. Ainsi, le frettage 3 renforce la tenue mécanique de la partie de la pièce de fond 4 dont l'épaisseur de métal n'est pas suffisante pour résister à la pression interne que doit supporter le réservoir 1. Selon l'invention, sur la figure 1, le fond 4 est maintenu mécaniquement par rapport au fond 5, en outre, par des moyens spécifiques différents du cylindre fretté 2. Ces moyens de maintien reprennent les efforts de fond induits par la pression interne dans le réservoir 1, c'est-à-dire que ces moyens supportent en partie des efforts engendrés par la pression interne au réservoir 1 qui s'applique sur les pièces 4 et 5. De plus, les moyens de maintien peuvent introduire une précontrainte axiale dans le cylindre métallique 2. Les moyens de maintien peuvent consister en des tirants longitudinaux 6, c'est-à-dire des tiges, qui maintiennent la pièce de fond 4 par rapport à la pièce 5. Les tirants 6 permettent de reprendre en traction une partie des efforts induits par une pression appliquée sur la surface interne des pièces de fond 4 et 5. Les tirants sont disposés en périphérie du cylindre métallique 2, et s'étendent selon des directions parallèles à l'axe A-A' du réservoir 1. Les tirants peuvent être répartis de manière symétrique, par exemple six tirants placés à 60 les uns par rapport aux autres autour du cylindre 2. Les tirants peuvent être des barres cylindriques en acier ou des tiges en fibre de carbone utilisées en tant que haubans de pont et envisagées comme tendons d'ancrage de plate-forme pétrolière. De préférence, on choisit un nombre élevé de tirants, par exemple au moins dix tirants, par exemple cinquante tirants, de manière à répartir l'effort axial sur toute la périphérie des pièces de fond 4 et 5. Sur la figure 1, les tirants 6 sont bridés directement sur les pièces de fond 4 et 5. Par exemple, les tirants 6 sont montés dans des trous pratiqués dans les pièces de fond 4 et 5. Des écrous 9 vissés sur les extrémités des tirants 6 prennent appui sur les pièces 4 et 5 afin de maintenir ces pièces 4 et 5. En remplacement des écrous, les tirants peuvent être maintenus solidaires des pièces de fond 4 et 5 au moyen d'un montage par pincement ou coincement. Alternativement, sur la figure 2, la pièce de fond 4 est revêtue d'une coiffe 10 qui épouse sensiblement la forme de la pièce 4. La pièce 5 est également revêtue d'une coiffe. Les tirants 6 sont montés dans des trous pratiqués dans la coiffe 10 et sont maintenus solidaire de la coiffe 10. Ainsi, les efforts de fond appliqués aux pièces de fond 4 et 5 sont transmis aux tirants 6 par l'intermédiaire des coiffes 10. Ainsi, les tirants 6 subissent une partie des efforts engendrés par une pression appliquée sur la surface intérieure des pièces de fond 4 et 5. L'allongement axial du réservoir est conditionné par les caractéristiques mécaniques des tirants 6. Les tirants 6 permettent d'induire dans le cylindre métallique 2 des précontraintes axiales ou prétension, c'est-à-dire que les tirants subissent une traction axiale et le cylindre métallique subit une compression axiale lorsque le réservoir 1 ne contient pas de fluide sous pression. La prétension dans les tirants permet d'augmenter la limite supérieure de la pression interne que peut subir le réservoir 1. La prétension dans les tirants 6 peut être introduite lors du montage des tirants, par exemple au moyen d'un système vis-écrou et d'un couple de 5 serrage. La prétension peut également être introduite dans les tirants 6 lors d'une épreuve hydraulique du réservoir à une pression provoquant le dépassement de la limite élastique dans le cylindre métallique 2. En d'autres termes, on monte les tirants 6 de sorte qu'ils maintiennent les pièces de fond 4 et 5 sans induire de précontrainte. Par exemple, on peut laisser un jeu. Puis, on applique une pression déterminée à l'intérieur du réservoir 1 de sorte que le cylindre métallique 2 se déforme axialement de manière plastique. Cette opération peut coïncider avec l'opération d'auto-frettage. Après retour à la pression nulle, il subsiste des contraintes résiduelles de compression dans le cylindre métallique 2 et des contraintes de traction dans les tirants 6. Les caractéristiques des tirants 6, c'est-à-dire le matériau, le diamètre des tirants, la prétension dans les tirants, sont déterminées en tenant compte notamment de la géométrie du réservoir 1, du choix des matériaux utilisés et des pressions et températures auxquelles le réservoir 1 doit pouvoir résister. Alternativement, les moyens de maintien des pièces de fond 4 et 5 peuvent être un ou plusieurs tirants. Sur la figure 1, on réalise un piquage 12 dans le réservoir 1. Un anneau 11, c'est-à-dire une portion de tube, est soudé en surépaisseur sur le tronçon cylindrique 2b. L'anneau 11 n'est pas recouvert par la couche de frettage 3. L'anneau 11 est en métal, de préférence en acier, identique à l'acier du cylindre 2. Sur l'anneau 11 et dans le tronçon 2b en contact avec l'anneau 11, on pratique un piquage 12, c'est-à-dire un orifice qui permet de communiquer avec l'intérieur du réservoir 1. L'accès au volume intérieur du réservoir 1 par le piquage 12 est commandé, par exemple, par la vanne 13. Alternativement, sur la figure 2, une virole 21 est soudée entre deux tronçons de tube 2a et 2c. L'épaisseur de la virole 21 est supérieure à l'épaisseur des tronçons 2a et 2c. L'épaisseur de la virole 21 diminue au niveau de ses extrémités soudées aux tronçons de tube de manière à atteindre l'épaisseur des tronçons. Le frettage 3 recouvre les soudures de la virole et une partie de la virole. Dans la partie de la virole 21 qui comporte une surépaisseur par rapport au cylindre 2, on pratique un perçage 22 de manière à communiquer avec l'intérieur du réservoir. L'accès au volume intérieur du réservoir peut être commandé par une vanne. L'invention est illustrée par deux exemples de dimensionnement d'un réservoir 1, présentés ci-après. Le réservoir 1 dimensionné dans les exemples 1 et 2 a une pression de service de 100 bars et un volume utile de 60 m3. Il peut être rangé dans les 20 cales d'un navire. Cela implique les dimensions générales suivantes: - longueur totale du réservoir 1: 20 ni diamètre du cylindre 2: 2 m - longueur du cylindre 2: 18 m épaisseur des pièces de fond hémisphériques: 20 mm - six tirants disposés à 60 les uns des autres autour du cylindre 2. Les parties métalliques du réservoir 1 sont réalisées en acier caractérisé par une limite élastique à 640 MPa. Dans les exemples 1 et 2, les dimensions du réservoir 1 ont été déterminées en considérant les coefficients de sécurité suivants sur les caractéristiques mécaniques des matériaux: - à pression nulle, contrainte de von Mises dans l'acier au plus égale 5 à 0,5 de Rp(, 2, à la pression de service, contrainte de von Mises dans l'acier au plus égale à 0,33 de Rm, à la pression de service, contrainte circonférentielle dans le frettage au plus égale à 0,5 de la résistance à la rupture des rubans 10 composites 3, à la pression de service, contrainte de traction dans les tirants au plus égale à 0,5 de leur charge à rupture. Dans chacun des exemples 1 et 2, on détermine et on compare les dimensions de: un réservoir sans tirant, - un réservoir muni de six tirants en acier ayant les caractéristiques mécaniques suivantes: limite élastique 1200.MPa, tension à rupture de 1300 MPa, et un module d'élasticité de 210 000 MPa, un réservoir muni de six tirants en constitués de tiges en fibres de carbone ayant les caractéristiques mécaniques suivantes: tension à rupture de 2500 MPa, un module d'élasticité de 210 000 MPa et une densité de 1. Exemple 1: Le cylindre 2 est fretté avec des rubans en fibres de carbone haute performance enrobées dans une résine thermoplastique. Les caractéristiques de ces rubans sont: Largeur 13 mm Epaisseur 0,28 mm Module longitudinal 105 000 MPa Limite à la rupture en traction 1800 MPa Densité 1,4 Les dimensions du réservoir 1 sont consignées dans le tableau: Sans tirant Tirants acier Tirants carbone Epaisseur acier du cylindre 2 17,1 mm 12,6 mm 11,4 mm Epaisseur totale du frettage 3 8,3 mm 7,5 mm 7,4 mm Nombre de couches de ruban de 30 27 26 frettage 3 Diamètre de tirants 6 x 62,5 mm 57,6 mm Tension dans les rubans 3 270 daN 275 daN 275 daN Précontrainte de frettage dans le 320 MPa 351 MPa 370 MPa cylindre 2 Prétension dans les tirants x 103 t 240 t Pression d'épreuve 150 bars 150 bars 150 bars Pression d'auto-frettage 225 bars 180 bars 170 bars Pression d'éclatement 260 bars 200 bars 215 bars Poids du réservoir 18,4 t 16,9 t 13,6 t Rapport poids gaz naturel à 100 0,51 0,54 0,59 bars et -30 C/ (poids propre du réservoir 1 + poids gaz) Exemple 2: Le cylindre 2 est fretté avec des rubans en fibres de verre enrobées dans une résine thermoplastique. Les caractéristiques de ces rubans sont: Largeur 13 mm Epaisseur 0,47 mm Module longitudinal 80 000 MPa Limite à la rupture en traction 1400 MPa Densité 1,6 Les dimensions du réservoir 1 sont consignées dans le tableau: Sans tirant Tirants acier Tirants carbone Epaisseur acier du cylindre 2 17 mm 12,7 mm 11,5 mm Epaisseur totale du frettage 3 10,5 mm 9,6 mm 9,5 mm Nombre de couches de ruban de 38 34 34 frettage 3 Diamètre de tirants 6 x 62,4 mm 57,6 mm Tension dans les rubans 3 200 daN 200 daN 200 daN Précontrainte de frettage dans le 320 MPa 351 MPa 369 MPa cylindre 2 Prétension dans les tirants x 103 t 237 t Pression d'épreuve 150 bars 150 bars 150 bars Pression d'auto- frettage 225 bars 180 bars 170 bars Pression d'éclatement 260 bars 200 bars 220 bars Poids du réservoir 19 t 17,5 t 14,2 t Rapport poids gaz naturel à 100 0,50 0,53 0,58 bars et -30 C/ (poids propre du réservoir 1 + poids gaz) A titre de comparaison par rapport aux réservoirs décrits dans les 5 exemples 1 et 2, le poids d'un réservoir tout en acier est de 31,7 tonnes, ce réservoir étant dimensionné selon les mêmes critères (pression de service bars et volume utile de 60 m3) et réalisé en acier ayant les mêmes caractéristiques que celui des réservoirs des exemples 1 et 2. Les exemples 1 et 2 démontrent l'avantage d'utiliser un réservoir selon l'invention qui permet d'augmenter le rapport entre le poids du gaz naturel contenu dans le réservoir et le poids propre du réservoir rempli de gaz jusqu'à des valeurs approchant 0,5 à 0,6. Les réservoirs selon l'invention peuvent notamment être mis en oeuvre pour le transport de gaz naturel et pour le stockage de fluide sur des plateformes d'exploitation pétrolière en mer. 14 REVENDICATIONS 1) Réservoir pour contenir un fluide sous pression comportant un corps tubulaire en métal fretté circonférentiellement par des enroulements de rubans composés de fibres enrobées dans une matrice polymère, chaque extrémité du corps tubulaire étant fermée par une pièce de fond, le réservoir comportant, en outre, des moyens de maintien qui supportent une partie des efforts axiaux engendrés par une pression appliquée dans le réservoir sur les pièces de fond. 2) Réservoir selon la revendication 1, dans lequel les moyens de maintien consistent en au moins un tirant qui relie les deux pièces de fond. 3) Réservoir selon la revendication 2, dans lequel ledit au moins un tirant est fixé aux pièces de fond. 4) Réservoir selon la revendication 2, dans lequel ledit au moins un tirant 20 est fixé sur des pièces intermédiaires en appui sur les pièces de fond. 5) Réservoir selon l'une des revendications 2 à 4, dans lequel les pièces de fond sont liées par des soudures au corps tubulaire. 6) Réservoir selon la revendication 5, dans lequel chacune des pièces de fond comporte une surface extérieure cylindrique, les rubans de frettage recouvrant, en outre, les soudures et lesdites surfaces extérieures cylindriques. 7) Réservoir selon l'une des revendications 2 à 6, comportant au moins 10 tirants répartis autour du corps tubulaire. 8) Réservoir selon l'une des revendications 2 à 7, dans lequel ledit au 5 moins un tirant est en acier ou en fibres de carbone. 9) Réservoir selon l'une des revendications 1 à 8, dans lequel le corps tubulaire comporte une surépaisseur, un perçage étant pratiqué dans la surépaisseur de manière à communiquer avec le volume intérieur du réservoir. 10) Réservoir selon l'une des revendications 1 à 9, dans lequel les rubans comportent des fibres de carbone ou des fibres de verre, et dans lequel la matrice est un polymère thermoplastique. 11) Réservoir selon l'une des revendications 1 à 10, dans lequel le corps tubulaire est soumis à des contraintes de compression provenant des rubans enroulés sous tension autour du corps tubulaire. 12) Réservoir selon l'une des revendications 1 à 10, dans lequel le corps tubulaire est déformé plastiquement sous l'effet d'une pression appliquée à l'intérieur du réservoir, de manière à ce que les rubans introduisent des contraintes de compression dans le corps tubulaire.