Brevet FR2933163A1 — publié le 20100101

La présente invention concerne le domaine des conduites pour le transport de fluide. Les conduites sont largement utilisées pour le transport de gaz naturel, et sont envisagées pour le transport du CO2, notamment dans les procédés de capture et stockage souterrain du CO2 contenu dans les fumées de combustion, et pour le transport de l'hydrogène. Le gaz naturel est transporté sous forme comprimée sur de grandes distances par gazoduc. La pression de transport étant de l'ordre de 7 à 8 MPa dans le cas d'une conduite à terre, mais pouvant atteindre environ 20 à 30 MPa dans le cas d'une conduite en mer. Dans la majorité des cas, le gaz naturel transporté comporte au moins 90 % de méthane. Ce transport est beaucoup plus coûteux que le transport de pétrole, ce qui limite le développement de l'exploitation du gaz naturel. La réduction des coûts de transport représente donc un enjeu économique essentiel, compte tenu de l'importance des investissements requis. Les tubes utilisés pour réaliser les canalisations de transport présentent fréquemment un mauvais état de surface de la paroi interne. De plus, les tubes sont souvent stockés à l'extérieur dans des conditions peu favorables (humidité, salinité). II est fréquent que la rugosité à la surface des tubes soit de l'ordre de 20 microns Rz, c'est-à-dire la rugosité mesurée crête à crête. De telles rugosités sont très pénalisantes lors du transport de fluide avec de très petites épaisseurs de couche visqueuse ou de couche limite. Les pertes de charge dans une conduite transportant un gaz ou un liquide sont notamment fonction du facteur de friction f qui peut être calculé, par exemple, par l'équation de Colebrook and White. Le facteur de friction est fortement dépendant du nombre de Reynolds et 30 de la rugosité de la paroi interne de la conduite. Le facteur de friction et, par conséquent, les pertes de charge sont fortement dépendants de la rugosité. Ainsi pour un tube d'1 mètre de diamètre et pour un nombre de Reynolds de 30 millions, l'augmentation du facteur de friction par rapport à une surface idéalement lisse de l'ordre de 3 % pour une rugosité hydraulique de 1 micron, s'élève à 21 % pour une rugosité de 10 microns pouvant atteindre 48 % pour une rugosité de 40 microns (ces augmentations sont prédites par l'équation de Colebrook & White). Cet exemple montre que la variation en fonction de la rugosité est relativement logarithmique et qu'il est, par conséquent, nécessaire d'atteindre dans beaucoup de situations des rugosités proches de 0 micron pour réduire de façon significative les pertes d'énergie. Le facteur de friction est également fortement dépendant du nombre de Reynolds. Ainsi pour un tube de 1 mètre de diamètre et pour une rugosité hydraulique de 40 microns, l'augmentation du facteur de friction par rapport à une surface idéalement lisse est de 30, 48 et 70 pourcent pour des nombres de Reynolds de, respectivement 10, 30 et 100 millions. Cet exemple montre que la variation du facteur de friction entre des surfaces rugueuses et lisses s'accroît avec le nombre de Reynolds. II est, par conséquent, plus particulièrement nécessaire, à des Reynolds élevés, d'atteindre des rugosités hydrauliques proches de 0 micron pour réduire de façon significative les pertes de charge. Par ailleurs, on connait les matériaux DLC (en anglais "Diamond Like Carbon") qui sont utilisés dans l'industrie dans de très nombreuses applications : optique, tribologie, emballage de produites alimentaires. Ces revêtements en DLC présentent de très nombreux avantages : ils protègent le support contre l'érosion, l'abrasion, l'écrasement, les chocs et les dépôts. Cependant, un revêtement DLC est appliqué avec une très faible épaisseur de quelques dixièmes à quelques dizaines de microns mètres et le recouvrement d'une surface se fait avec une épaisseur relativement constante. A cet effet, l'application d'un revêtement DLC sur une surface rugueuse ne modifie pas ou peu la rugosité de cette surface. Le dépôt d'un revêtement DLC ne permet donc pas de réduire la rugosité d'une surface. La présente invention propose d'obtenir un tube avec une surface interne ultra lisse en DLC en effectuant préalablement au dépôt de DLC, un dépôt et une opération de lissage d'une couche de matériau en polymère sur la paroi interne. De manière générale, la présente invention propose un procédé de fabrication d'une conduite pour le transport d'un fluide, dans lequel on dépose un revêtement de protection sur la paroi interne d'un tube métallique, le revêtement étant composé de carbone amorphe de structure locale proche du diamant. Le procédé est caractérisé en ce que, avant dépôt dudit revêtement de protection, on effectue les étapes suivantes : a) on applique une couche en matériau polymère durcissable sur la paroi interne dudit tube métallique, et b) on effectue une opération de lissage de ladite couche en matériau polymère de manière à réduire la hauteur maximum des déformations, mesurées à la surface de ladite couche, à une valeur inférieure à l'épaisseur de la couche visqueuse dudit fluide à transporter dans la conduite. Selon l'invention, avant durcissement du matériau polymère, on peut effectuer à l'étape b) une opération de centrifugation dans laquelle on fait tourner le tube autour de son axe. Alternativement, on peut augmenter l'épaisseur de la couche en matériau polymère de manière à réduire la hauteur maximum des déformations, mesurées à la surface de ladite couche, à une valeur inférieure à l'épaisseur de la couche visqueuse dudit fluide à transporter dans la conduite. Alternativement, à l'étape b), on peut disposer à l'intérieur du tube un moule expansible ayant une surface lisse et on peut dilater ledit moule expansible jusqu'à mettre en contact ladite surface lisse avec ladite couche en matériau polymère. Ladite surface lisse peut présenter une rugosité inférieure à 5 pm Rz. Selon l'invention, avant l'étape a), on peut effectuer un traitement de surface par grenaillage de ladite paroi interne. Avant l'étape de dépôt du revêtement de protection, on peut effectuer une opération pour durcir le matériau polymère, l'opération consistant en un séchage 5 ou une cuisson de ladite couche. Le revêtement de protection peut être déposé par décomposition par plasma de gaz hydrocarbures légers. Le revêtement de protection peut être déposé en plusieurs couches successives. 10 La présente invention propose également une conduite comportant un tube métallique dont la paroi interne est recouverte d'une couche en matériau polymère, la surface de ladite couche ayant une rugosité inférieure à 5 pm Rz, la couche étant recouverte d'un revêtement de protection composé de carbone 15 amorphe de structure locale proche du diamant. Selon l'invention, l'épaisseur de la couche en matériau polymère est comprise entre 50 pm et 1 mm, et l'épaisseur du revêtement de protection peut varier entre 0,1 pm et 10 pm. Le matériau polymère peut être choisi parmi les résines époxydiques, les 20 résines polyuréthanes et les huiles vinyliques. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront mieux compris et apparaîtront clairement à la lecture de la description faite ci-après en se référant aux dessins parmi lesquels : 25 les figures 1A, 1B, 1C et 1 D illustrent les étapes de fabrication d'un tube à paroi ultra-lisse, la figure 2 représente la fabrication d'un moule à paroi lisse. La fabrication d'un tube avec paroi interne ultra-lisse peut être réalisée en 30 suivant les étapes décrites ci-après. Etape 1 : Préparation de la surface interne du tube Une canalisation est réalisée par assemblage bout à bout de tubes. En général, on utilise des tubes en métal, par exemple de l'acier. Les tubes utilisés pour le transport de gaz naturel ou de pétrole peuvent avoir un diamètre compris entre 0.5 et 2 mètres et une longueur comprise entre 10 et 30 mètres. En référence à la figure 1A, le tube métallique 1 peut subir une étape de préparation : pour améliorer l'adhésion d'un revêtement polymère (voir étape 2) sur la paroi interne du tube métallique, on applique un traitement de surface. En général, on effectue un grenaillage de la paroi interne 1A jusqu'à obtenir une rugosité de l'ordre de 50 pm Rz. Etape 2 : application d'une couche polymère sur la paroi interne du tube En référence à la figure 1B, on dépose une couche 2 en matériau polymère sur la paroi interne du tube métallique 1. Le revêtement 2 de type polymère est de préférence appliqué sous forme d'une peinture. On choisit un matériau polymère qui peut être déformé et qui présente des propriétés de durcissement. On peut mettre en oeuvre différents types de polymère : résines époxydiques, produits à base de résines polyuréthane, huiles vinyliques à liant styrène, néoprène. Dans le cas d'une résine de type époxydique, la couche 2 est appliquée sur le support métallique 1 de préférence en phase liquide, non diluée ou en étant diluée dans un solvant liquide organique ou aqueux. De préférence, lors de l'application, l'épaisseur de la couche 2 est contrôlée, par exemple comprise entre 50 pm et 1 mm selon le type de revêtement. Par exemple, de l'ordre de 100 pm pour une résine époxydique avec solvant, 200 pm pour une résine époxydique sans solvant, 500 pm pour un polyamide, etc... L'analyse de l'état de surface 2A du revêtement en polymère montre qu'il est constitué d'une multitude de déformations avec des amplitudes et des longueurs d'onde variant en tout point. Plus précisément : le dépôt d'un revêtement époxy sans solvant engendre la formation de déformations de très courtes (rugosité) à de très grandes (ondulation) longueurs d'onde, l'ensemble pouvant atteindre une rugosité hydraulique équivalente de l'ordre de 30 microns. le dépôt d'un revêtement époxy avec solvant engendre la formation de déformations de courtes et moyennes longueurs d'onde, l'ensemble pouvant atteindre une rugosité hydraulique équivalente de l'ordre de 20 microns. La présente invention propose de mettre en oeuvre une opération de lissage (voir étape 3) de la surface 2A de la couche de polymère 2 avant dépôt d'un revêtement en DLC sur le polymère. Etape 3 : Lissage de la couche en polymère Après application de la couche de polymère 2 (voir étape 2) et avant durcissement du polymère, on effectue une opération de lissage de la couche 2. Selon l'invention, on effectue une opération de lissage du polymère afin que la hauteur maximum des déformations (intégrant les longueurs d'onde propres au revêtement : de la rugosité aux ondulations) mesurées à la surface de la couche en polymère soit inférieure à l'épaisseur de la couche visqueuse du fluide transporté dans ladite conduite, c'est-à-dire la couche visqueuse correspondant au cas de production pour lequel on veut réduire les pertes de charge. Par exemple, on peut lisser la couche de polymère en augmentant la centrifugation avant durcissement, c'est-à-dire polymérisation du matériau. L'opération de centrifugation consiste en une rotation du tube métallique autour de 30 son axe pour répartir de manière uniforme le polymère sur la paroi sous l'effet de la force centrifuge. On peut également déterminer la quantité de matériau polymère à appliquer sur la paroi interne du tube de manière à augmenter l'épaisseur de la couche en matériau polymère et obtenir une surface lisse. Alternativement on peut mettre en oeuvre des méthodes faisant appel à des outils pour lisser la couche en matériau polymère. Par exemple, on met en oeuvre une structure expansible, par exemple une baudruche si elle est fermée en tout point (structure directement gonflable) ou manchon s'il est ouvert en au moins un point ou une extrémité (structure directement gonflable devant être montée sur une structure gonflable). La structure expansible peut être réalisée en effectuant les opérations décrites ci-après en référence à la figure 2. a) La réalisation d'un moule primaire 10 comportant une surface rigide lisse 10A, par exemple de forme cylindrique. b) A partir du moule primaire 10, on réalise un moule secondaire 11 expansible constitué d'une matière élastique et non adhérente sur le matériau polymère utilisé pour réaliser la couche 2. Par exemple, le moule 11 est réalisé en silicone ou en polyuréthane. Le moule 11 est réalisé par moulage de la matière élastique dans le moule primaire 10. La surface extérieure du moule 11 présente de préférence une rugosité inférieure à 5 pm Rz. Le moule secondaire 11 est également de forme cylindrique. II peut être fermé à ses extrémités comme représenté par l'extrémité 11A du moule 11 sur la figure 2. Le moule secondaire peut également être ouvert à l'une ou à ses deux extrémités, comme représenté par l'extrémité 11B du moule 11 sur la figure 2. En référence à la figure 1C, la structure expansible 11 est introduite dans le tube 1, puis dilatée pour être plaquée de manière uniforme sur la couche de polymère 2 avec une pression suffisante pour déformer la surface 2B du polymère 2 et obtenir une surface 2B lisse. L'opération de lissage de la couche de polymère 2 permet d'obtenir une surface 2B dont la rugosité peut être inférieure à 5 pm Rz voire très inférieure à cette valeur. Une valeur de rugosité de 5 pm Rz permet de réduire les pertes de charge d'un gaz à 80 bars circulant dans une conduite de diamètre 32 pouces (environ 0,813 mètre). La structure expansible peut être mise en oeuvre de différentes manières. La paroi de la structure expansible 11 peut avoir une épaisseur variable et progressive dans la direction axiale de façon à permettre un premier contact en un point ou sur une circonférence puis une mise en contact progressive le long du tube lors du gonflage de la structure 11. On peut utiliser un ballon à l'intérieur de la structure gonflable de façon à permettre un contact en un point ou sur une circonférence, puis une mise en contact progressive lors du gonflage du ballon. Le ballon peut être fixe ou mobile à l'intérieur de la structure expansible 11. La structure expansible 11 peut être étirée avant introduction dans le tube 1 de façon à augmenter la raideur et réduire la taille initiale de la structure. Le document FR 2 879 948 décrit en détail différentes mises en oeuvre pour plaquer une structure expansible sur la surface intérieure d'un tube. Après mise en forme des rainures dans la couche 2, on peut effectuer une étape complémentaire de durcissement. Le durcissement peut consister en une étape de réticulation du polymère, par exemple à chaud, une étape de séchage à température ambiante. De préférence, on peut mettre en oeuvre des résines époxydiques qui sont particulièrement bien adaptées : il peut s'agir de résines époxydiques formophénoliques, durcissant à chaud, vers 200°C, ou des résines époxydiques comportant un durcisseur à froid, par exemple de type amines ou polyamides. De manière générale, la présente invention peut être mise en oeuvre avec 30 tout type de méthode de lissage d'une couche en matériau polymère. Etape 4 : dépôt d'une couche de DLC Selon l'invention, on dépose une couche de DLC sur la surface lisse obtenue à l'issue de l'étape 3 de manière à obtenir une couche DLC qui présente une surface lisse. Le DLC (en anglais "Diamond Like Carbon") est un matériau en carbone amorphe de structure locale proche du diamant, plus connu sous le vocable DLC . En référence à la figure 1 D, la couche de revêtement polymère 2 est recouverte d'un film 3 en DLC. Dans un matériau DLC, une fraction des atomes de carbone présente des liaisons atomiques en un arrangement tétraédrique (des liaisons dites de nature sp3) caractéristique de la structure locale du diamant. La fraction de liaisons spi, généralement dans la gamme de 0,3 à 0,9, est typiquement supérieure à 0,5. Ces formes de carbone amorphe proches du diamant possèdent une dureté supérieure à 10 GPa, pouvant aller jusqu'à 130 GPa, et un faible coefficient de frottement solide (inférieur à 0,12 pour une fraction de liaisons sp3 supérieure à 0,75). Le dépôt du DLC est effectué de préférence par l'utilisation d'un procédé de décomposition par plasma de gaz hydrocarbures légers tels que l'acétylène, l'éthylène, le méthane et autres. Par exemple, on peut déposer la couche de DLC selon la méthode décrite par le document US 2006/0011468. Avantageusement, le gaz hydrocarbure peut être mélangé à de l'hydrogène ou à un gaz rare, tel que l'argon. Le dépôt peut aussi se faire par ablation d'une cible de carbone, comme cela est décrit dans "Journal of Materials Science" en date du 15 mai 2004 selon la publication "Synthesis of HDLC films from solid carbon" de R. L. Mills, J. Sankar, P. Ray, A. Voigt, J. He et B. Dhandapani. Le revêtement DLC peut être dopé en incluant une fraction d'hydrogène et d'autres éléments, comme par exemple F, Si, O, N. Ces éléments sont introduits par l'addition de gaz réactifs (par exemple respectivement C2F2, Si(CH3)4, 02 or N2) à l'hydrocarbure servant à former le dépôt. L'inclusion d'hétéroéléments permet de moduler les propriétés en fonction des conditions d'opération prévues. En effet, une approche de l'élaboration de dépôts anti-encrassement est de rendre la surface du matériau répulsive, ou moins attractive, aux composés responsables de l'encrassement. Par exemple, les dépôts sans hydrogène ont moins d'interaction avec les composés oxygénés et seront donc favorables à une réduction d'encrassement par ces composants. Au contraire, les dépôts avec hydrogène ont moins d'interaction avec les hydrocarbures. De manière avantageuse, la gamme du contenu en hydrogène peut être de 0% à 80% et celle du silicium, du fluor, de l'oxygène ou de l'azote peut varier de 0% à 20%. Le revêtement 3 peut être appliqué : en une seule couche de DLC dopé ou non dopé, en deux couches, une première couche dopée au contact du revêtement 2, puis une deuxième couche non dopée. Le choix du matériau DLC, les épaisseurs de couche, le nombre de couches de DLC peuvent être déterminés en fonction des caractéristiques requises en terme d'adhésion, de résistance au chocs, à l'usure, à la corrosion, à l'abrasion ainsi qu'aux limitations de dépôt requises. Avantageusement, l'épaisseur du dépôt 3 est typiquement de quelques dixièmes de microns jusqu'à quelques dizaines de microns. Ainsi, le dépôt du revêtement 3 ne modifie pratiquement pas, voire pas du tout, l'état de surface de la couche 2 et donc la surface de la couche en DLC conserve le caractère lisse de la couche 2. Le dépôt du carbone diamanté sur la surface lisse à base de polymères améliore les performances mécaniques et hydrodynamiques du revêtement polymère, en permettant une meilleur résistance à l'abrasion, en réduisant les dépôts et en réduisant les pertes de charge : Encrassement ou adhésion à la surface : peu d'effet compte tenu des propriétés d'énergie de surface du carbone diamanté réduisant fortement les dépôts. - Adsorption d'agents chimiques à la surface du carbone diamanté : peu d'effet compte tenu de leur structure moléculaire. La corrosion du substrat : peu d'effet compte tenu de leur très faible perméabilité. Érosion de la surface structurée par les particules solides transportées lors de l'écoulement d'un fluide : peu d'effet compte tenu de leur propriétés 5 mécaniques. Abrasion et écrouissage de la surface structurée par les roues des appareils de contrôle : peu d'effet compte tenu de leur propriétés mécaniques. REVENDICATIONS1) Procédé de fabrication d'une conduite pour le transport d'un fluide, dans lequel on dépose un revêtement (3) de protection sur la paroi interne (1A) d'un tube métallique (1), le revêtement (3) étant composé de carbone amorphe de structure locale proche du diamant, caractérisé en ce que, avant dépôt dudit revêtement de protection (3), on effectue les étapes suivantes : 1 o a) on applique une couche (2) en matériau polymère durcissable sur la paroi interne (1A) dudit tube métallique (1), et b) on effectue une opération de lissage de ladite couche (2) en matériau polymère de manière à réduire la hauteur maximum des déformations, mesurées à la surface de ladite couche, à une valeur inférieure à 15 l'épaisseur de la couche visqueuse dudit fluide à transporter dans la conduite. 2) Procédé selon la revendication 1, dans lequel avant durcissement du matériau polymère, on effectue à l'étape b) une opération de centrifugation par 20 rotation du tube (1) autour de son axe. 3) Procédé selon la revendication 1, dans lequel on augmente l'épaisseur de la couche (2) en matériau polymère de manière à réduire la hauteur maximum des déformations, mesurées à la surface de ladite couche, à une valeur inférieure à 25 l'épaisseur de la couche visqueuse dudit fluide à transporter dans la conduite. 4) Procédé selon la revendication 1, dans lequel à l'étape b), on dispose à l'intérieur du tube (1) un moule expansible (11) ayant une surface lisse et on dilate ledit moule expansible jusqu'à mettre en contact ladite surface lisse avec ladite 30 couche (2) en matériau polymère. ) Procédé selon la revendication 4, dans lequel ladite surface lisse présente une rugosité inférieure à 5 pm Rz. 6) Procédé selon l'une des revendications précédentes, dans lequel avant 5 l'étape a), on effectue un traitement de surface par grenaillage de ladite paroi interne (1A). 7) Procédé selon l'une des revendications précédentes, dans lequel avant l'étape c) on effectue une opération pour durcir le matériau polymère, l'opération 10 consistant en un séchage ou une cuisson de ladite couche (2). 8) Procédé selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle le revêtement de protection (3) est déposé par décomposition par plasma de gaz hydrocarbures légers. 9) Procédé selon l'une des revendications précédentes, dans lequel le revêtement de protection est déposé en plusieurs couches successives. 10) Conduite comportant un tube métallique (1) dont la paroi interne (1A) est 20 recouverte d'une couche en matériau polymère (2), la surface de ladite couche ayant une rugosité inférieure à 5 pm Rz, la couche étant recouverte d'un revêtement de protection (3) composé de carbone amorphe de structure locale proche du diamant. 25 11) Conduite selon la revendication 10, dans lequel l'épaisseur de la couche (2) en matériau polymère est comprise entre 50 pm et 1 mm, et dans lequel l'épaisseur du revêtement de protection (3) varie entre 0,1 pm et 10 pm. 12) Conduite selon l'une des revendications 10 et 11, dans laquelle le 30 matériau polymère (2) est choisi parmi les résines époxydiques, les résines polyuréthanes et les huiles vinyliques. 15