Brevet FR2930622A1 — publié le 20091030

La présente invention concerne le domaine des conduites flexibles utilisées pour exporter un gaz naturel. Les gisements de gaz naturel situés en mer sont exploités à partir d'une plateforme. Le gaz naturel brut, qui est extrait d'un réservoir géologique souterrain, subit une première série de traitements sur la plateforme. Ce gaz traité est exporté de la plateforme vers une autre plateforme ou à terre pour subir d'autres traitements et/ou être distribué aux consommateurs. On utilise couramment des conduites flexibles pour exporter le gaz depuis 10 la plateforme en mer. Des vibrations acoustiques parasites ont été observées en conditions industrielles sur certaines plateformes reliées à des conduites flexibles d'export de gaz. II s'agit d'export de gaz sec, c'est-à-dire ne comportant pas ou très peu de 15 phase liquide. Les vibrations acoustiques produites lors de l'écoulement du gaz sec dans les conduites flexibles d'exporl: sont transmises aux différents éléments de la plateforme. Les vibrations acoustiques ont, dans certains cas, produit des ruptures mécaniques en fatigue de piquages sur les plateformes. 20 La présente invention propose de modifier la structure interne des conduites flexibles afin de réduire, voir de supprimer, la naissance des vibrations acoustiques lors du transport d'un gaz. De manière générale, la présente invention concerne une conduite flexible 25 pour le transport d'un gaz naturel, comportant au moins une carcasse tubulaire en contact avec ledit gaz, la carcasse étant composée d'une bande métallique enroulée suivant une hélice autour de l'axe de la conduite en formant une succession de spires, la bande métallique ayant un profil en forme de S, chacune des spires de la bande métallique en hélice coopérant avec les spires adjacentes 3o en formant une rainure hélicoïdale dans la surface interne de la carcasse tubulaire, des tourbillons étant générés par l'écoulement du gaz au contact de la carcasse. La conduite selon l'invention est caractérisée en ce que la carcasse comporte des moyens pour réduire les effets desdits tourbillons sur la surface interne de la carcasse au voisinage de ladite rainure. Selon l'invention, au moins une des spires de la bande métallique présente un profil en forme de S pouvant comporter une portion en contact avec le gaz naturel en écoulement, la portion pouvant comporter une première partie rectiligne et parallèle à l'axe de la conduite et une deuxième partie formant une diminution du rayon intérieur de la carcasse par rapport à ladite première partie, la deuxième partie étant située en aval de la première partie, dans le sens de l'écoulement du gaz. La deuxième partie peut être un plateau rectiligne parallèle à l'axe de la conduite. La différence entre la distance entre la première partie et l'axe de la conduite et la distance entre ledit plateau et l'axe de la conduite peut être au moins supérieure à l'épaisseur de la bande métallique. Alternativement, la deuxième partie peut présenter une pente rectiligne formant un convergent dans le sens de l'écoulement du gaz, la pente ayant un angle compris entre 10° et 30° et s'étendant sur une distance axiale au moins trois fois supérieure à l'épaisseur de la bande métallique. Ladite pente peut être prolongée en arc de cercle formant une paroi de ladite rainure, l'arc de cercle ayant un rayon au moins supérieur à trois fois l'épaisseur de la bande métallique. Le profil en forme de S peut comporter deux boucles réunies par une partie intermédiaire, dans lequel la partie intermédiaire peut présenter une pente rectiligne formant un convergent dans le sens de l'écoulement du gaz, la pente ayant un angle compris entre 10° et 30° par rapport à l'axe de la conduite et s'étendant sur une distance axiale au moins quatre fois supérieure à l'épaisseur de la bande métallique. Le profil en forme de S peut comporter deux boucles réunies par une partie intermédiaire et la bande métallique peut comporter des trous pouvant être disposés dans le voisinage de ladite partie intermédiaire. Alternativement, les trous peuvent être répartis sur la surface de la bande métallique. 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 : la figure 1 décrit en détail une conduite flexible, - la figure 2 représente en détail un profil de carcasse de conduite flexible, les figures 3 à 8 représentent différents modes de réalisation d'une carcasse de conduite flexible selon l'invention. La conduite flexible représentée par la figure 1 est constituée de plusieurs couches décrites ci-après de l'intérieur vers l'extérieur de la conduite. La carcasse 1 est constituée d'une bande métallique enroulée selon une hélice à pas court, et destinée à la résistance à l'écrasement sous l'effet de la pression externe appliquée à la conduite. La bande métallique peut être réalisée à partir d'un feuillard ou d'un fil, chaque spire étant agrafée aux spires adjacentes. Les gaines d'étanchéités 2 et 4 sont réalisées par extrusion d'un matériau polymère, en général choisi parmi les polyoléfines, les polyamides et les polymères fluorés. La voûte 3 réalisée en fils métalliques agrafés ou emboîtables assure la résistance à la pression interne dans la conduite. Les nappes d'armures de traction 4 et 5 sont constituées par des fils métalliques enroulés en hélice selon des angles compris entre 20° et 55°. Les nappes sont maintenues par le ruban 6. La gaine en polymère 7 forme une protection externe de la conduite. Les conduites flexibles peuvent présenter des configurations variées en fonction de leur utilisation. Elles répondent en général aux critères constructifs définis notamment par les normes API 17B et API 17J établies par l'American Petroleum Institute sous l'intitulé "Recommended Practice for Flexible Pipe" et 30 "Specification for Unbonded Flexible Pipe". Les inventeurs ont mis en évidence que les vibrations acoustiques observées sur les plateformes sont engendrées par des perturbations de l'écoulement du gaz sec sur la surface interne de la conduite. La surface interne d'une conduite flexible est constituée de la carcasse référencée 1 sur la figure 1. La structure d'une carcasse est représentée en vue de profil sur la figure 2 selon une coupe longitudinale de la conduite flexible. La carcasse est composée d'une bande métallique qui est enroulée selon une hélice autour de l'axe AA' de la conduite flexible. Lors de l'enroulement en hélice, la bande métallique est mise en forme, en général par un système de galets. Comme représenté sur la figure 2, la bande métallique présente un profil en forme de S qui présente deux boucles. Le profil de la bande métallique, autrement dit la section de la bande métallique, correspond à la forme de la bande métallique vue selon une coupe perpendiculaire à sa plus grand longueur. La boucle B1 formée par l'une des extrémités du S d'une spire coopère avec la boucle B2 formée par l'autre extrémité du S de la spire adjacente. L'assemblage des différentes spires de la bande métallique forme une carcasse tubulaire. La surface hachurée de la figure 2 représente la gaine d'étanchéité 2 de la figure 1. Sur la figure 1, la bande métallique présente une partie plate P qui après enroulement constitue une surface intérieure de la carcasse sensiblement tubulaire d'axe AA'. Cette surface tubulaire de rayon R est schématisée par les lignes pointillées T sur la figure 2. La surface interne de forme tubulaire est accidentée par la présence d'une rainure Ra située entre deux spires adjacentes de la bande métallique. La rainure Ra s'étend sur toute la surface interne de la conduite flexible selon une hélice identique à l'hélice d'enroulement de la bande métallique formant la carcasse. La rainure Ra est à l'origine des vibrations acoustiques. La présence de la rainure Ra perturbe l'écoulement du gaz dans la conduite flexible en créant des vortex ou tourbillons dans l'écoulement du gaz au niveau de la rainure. Certains tourbillons refluent dans l'écoulement du gaz, tandis que d'autre viennent frapper la paroi métallique de la carcasse. Plus précisément, les tourbillons créés après décrochement du gaz en écoulement le long de la paroi P1 viennent s'écraser sur la paroi Z située au niveau de la rainure Ra au E début de la spire suivante en aval de l'écoulement. Ces tourbillons constituent un champ de force qui sollicitent mécaniquement la paroi de la carcasse au moment de l'impact. La cadence de frappe est spécifique et varie notamment avec la vitesse de l'écoulement du gaz. La répétition de ces sollicitations peut faire entrer en résonance les agrafes de la carcasse qui agit sur le gaz en écoulement jusqu'à créer une onde acoustique. Dans la conduite flexible, l'onde acoustique se propage directement dans le gaz. En général, cette propagation se produit dans un écoulement de gaz sec, c'est-à-dire un gaz ne comportant aucune fraction liquide. En effet, les particules liquides contenues dans un gaz humide amortiraient les vibrations jusqu'à supprimer l'onde acoustique. De manière générale, la présente invention propose de modifier la structure de la carcasse 1 de manière à réduire, voire de supprimer, la naissance des vibrations acoustiques lors du transport d'un gaz sec. Selon l'invention, on peut modifier la géométrie du profil de la bande métallique qui constitue la carcasse de manière à limiter la formation de tourbillon au niveau de la rainure et/ou de manière à limiter les effets des tourbillons qui impactent sur la carcasse. Les figures 3 et 4 décrivent des formes, selon l'invention, du profil de la bande métallique formant la carcasse. Le profil est en forme de S étiré selon l'axe AA' de la conduite flexible. Le S est constitué d'une boucle BI et d'une boucle B2. Plus précisément, les figures 3 et 4 représentent des améliorations de la forme de la boucle B1 en contact avec le gaz en écoulement dans la conduite. En référence à la figure 3, la portion du profil qui constitue la surface intérieure présente deux parties T1 et T2 de rayons différents. Le plateau Ti est de forme rectiligne parallèle à l'axe AA', distant de l'axe AA' d'un rayon R1 et s'étendant sur une longueur axiale L1. Le plateau T2 est de forme rectiligne parallèle à l'axe AA', distant de l'axe PA' d'un rayon R2 et s'étendant sur une longueur axiale L2. En considérant l'écoulement de la droite vers la gauche, on choisit, selon l'invention, le rayon R1 du plateau Ti inférieur au rayon R2 du plateau T2. Ainsi, le gaz en écoulement au contact de la carcasse circule d'abord le long de la paroi de la partie T2, puis le long de la paroi de la partie Ti. La partie Ti permet de diriger les tourbillons, générés lors du décrochement de l'écoulement de gaz de la paroi Ti, au dessus du plateau T2 de la spire suivante, situé en aval dans le sens de l'écoulement. Ainsi, la différence de niveau entre les parties T1 et T2 permet d'éviter que ces tourbillons viennent frapper la partie T2 de la spire suivante. Les dimensions L1, L2, RI et R2 dépendent notamment de l'épaisseur E de la bande métallique formant la carcasse. De préférence, la différence de niveau entre le plateau Ti et le plateau T2 est au moins supérieure à l'épaisseur E de la bande métallique (R2-R1>E). La boucle B2 qui n'est pas directement en contact avec le gaz en écoulement dans la conduite présente une partie tubulaire T3 qui coopère avec la partie tubulaire T2 de la spire adjacente (représentée en trait pointillé sur la figure 3). La partie T3 est en appui sur une longueur L3 de la partie T2 de la spire adjacente de manière à transmettre les efforts radiaux d'une spire à l'autre et de conférer la résistance à l'écrasement requise de la carcasse. De préférence, on choisit la longueur L2 et L3 pour que la partie T3 puisse être en appui sur la partie T2 sur l'ensemble de la plage de déplacement relatif d'une spire par rapport à la spire adjacente. La figure 4 propose une variante du mode de réalisation de la figure 3. En référence à la figure 4, la portion de la carcasse qui constitue la surface intérieure présente deux parties : une partie T4 et une partie Cl. La partie T4 est en forme d'un plateau rectiligne parallèle à l'axe AA distant d'un rayon R4 et s'étendant sur une longueur axiale L4. La partie Cl forme une portion rectiligne ayant une pente d'angle a convergent vers l'axe AA' de la conduite dans le sens de l'écoulement du gaz. La partie Cl s'étend sur une longueur axiale L5. En considérant l'écoulement de la droite vers la gauche, la partie T4 forme un plateau, puis, la partie Cl forme une restriction du diamètre de la conduite. Ainsi, le gaz en écoulement au contact de la carcasse circule d'abord le long de la paroi de la partie T4 puis le long de la paroi de la partie Cl. La pente de la partie Cl a pour fonction de diriger le gaz en écoulement le long de la paroi conique P vers l'intérieur de la conduite selon la direction représentée par la flèche D. Selon l'invention, on peut choisir l'angle a compris entre 10° et 30°. De préférence, la partie Cl s'étend sur une longueur axiale L5 supérieure à trois fois l'épaisseur E de la bande métallique (L5> 3 x E). Ainsi, les tourbillons générés lors du décrochement de l'écoulement du gaz de la paroi P de la partie Cl sont noyés dans l'écoulement du gaz et ne viennent pas frapper la spire adjacente de la carcasse située en aval dans le sens de l'écoulement. De plus, l'extrémité de la boucle B1 est terminée par une forme arrondie de rayon r. En d'autres termes, la portion Cl est prolongée par un arc de cercle. Selon l'invention, on peut choisir une valeur de r supérieure à trois fois l'épaisseur E de la bande métallique. De préférence, le rayon r est inférieur à six fois l'épaisseur E. En référence à la figure 5, le profil de la carcasse en forme de S présente une boucle B1 dont une portion constitue la surface intérieure de la carcasse et la boucle B2 dont une portion constitue la surface extérieure de la carcasse. La boucle B1 est reliée à la boucle B2 par une zone intermédiaire O qui s'étend sur une longueur axiale L6. Selon l'invention, le profil de la zone intermédiaire O présente une pente S d'angle R dirigé vers l'axe AA' lorsqu'on suit le sens de l'écoulement du gaz. La pente s'étend sur une longueur axiale L6. De préférence, la valeur de l'angle p est compris entre 10° et 30°. La longueur L6 peut être supérieure à quatre fois l'épaisseur E de la bande métallique (L6> 4 x E). La boucle B1 présente une forme cylindrique de rayon sensiblement constant. La pente de la zone O permet de réduire les effets de l'impact des tourbillons. En effet, les tourbillons qui se forment suite au décrochement de l'écoulement de gaz le long de la boucle B2 de la spire précédente impactent la zone O qui présente une faible pente par rapport à l'écoulement. Ainsi les tourbillons s'écartent de la normale à la paroi et ainsi sont mieux amortis dans le volume de la rainure Ra. En référence aux figures 6, 7 et 8, le profil de la carcasse en forme de S présente une boucle B3 dont une portion constitue la surface intérieure de la carcasse et la boucle B4 dont une portion constitue la surface extérieure de la carcasse. La boucle B3 est reliée à la boucle B4 par une zone intermédiaire K. Selon un mode de réalisation de l'invention, la bande métallique est pourvue d'orifices ou trous. Les trous peuvent être débouchants. Les trous peuvent également être borgnes et ouverts vers l'intérieur de la conduite. Par exemple, la forme des trous peut être ronde, ovale, carrée. De manière générale, les trous dans la carcasse permettent d'empêcher une frappe de vortex de gaz contre la paroi de la bande métallique et de diriger le champ de force lié aux vortex contre la couche polymère disposée sur la surface extérieure de la carcasse, c'est-à-dire la couche 2 représentée sur la figure 1. La présence de trous crée des perturbations de l'écoulement du gaz au contact des parois de la carcasse en créant des zones d'aspiration et de refoulement du gaz en divers endroits. De préférence, les trous sont percés, poinçonnés, avant la mise en forme de la bande métallique et l'enroulement en hélice de la bande. En référence aux figures 6 et 7, la zone intermédiaire K comporte des trous. Les trous sont disposés sur des lignes hélicoïdales, tout du long de la carcasse. Sur la figure 6, les trous sont suffisamment petits pour en disposer sur trois hélices différentes, les trous étant répartis en quinconce. Le diamètre des trous peut être compris entre 0,5 et 2 fois l'épaisseur E de la bande métallique. La densité des trous est déterminée pour ne pas affaiblir les propriétés mécaniques de la bande métallique. Les trous sont de préférence séparés les uns des autres d'une distance supérieure à leur diamètre. Sur la figure 7, les trous sont plus grands et sont largement à cheval sur la zone K. Ils suivent la ligne d'inflexion de la rainure. Le diamètre des trous peut être proche de la largeur de la rainure Ra décrite en référence à la figure 2. Ils peuvent être espacés les uns des autres d'une distance environ égale à leur diamètre, sans affaiblir la fonction mécanique de la zone K de la bande métallique. 2930622 g En référence à la figure 8, la bande métallique est trouée de façon régulière ou aléatoire. Les trous peuvent être répartis sur la surface de la bande métallique en contact avec le gaz en écoulement dans la conduite. Les trous peuvent également être répartis sur toute la surface de la bande métallique. La 5 présence des trous permet au gaz de circuler des deux côtés de la paroi. En dépression, le gaz passe derrière la paroi de la bande métallique en aspirant du gaz dans l'écoulement principal. En surpression, le gaz rejoint l'écoulement principal en favorisant le décollement de l'écoulement du gaz au contact de la paroi de la bande métallique. 10 Par ailleurs, les trous dans la bande métallique formant la carcasse permettent de réduire la masse de la carcasse et donc d'alléger la conduite flexible. De plus la réduction de la masse de la carcasse permet de modifier la réponse vibratoire de la conduite flexible, et donc de sortir des modes de résonance qui posent problèmes. 15 Les différents modes de réalisation de l'invention décrits en référence aux figures 3 à 8 peuvent être utilisés seul ou en combinaison. Ils peuvent être installés sur une portion ou sur la totalité de la longueur de la conduite flexible. REVENDICATIONS1) Conduite flexible pour le transport d'un gaz naturel, comportant au moins une carcasse tubulaire (1) en contact avec ledit gaz, la carcasse (1) étant composée d'une bande métallique enroulée suivant une hélice autour de l'axe (AA') de la conduite en formant une succession de spires, la bande métallique ayant un profil en forme de S, chacune des spires de la bande métallique en hélice coopérant avec les spires adjacentes en formant une rainure hélicoïdale (Ra) dans la surface interne de la carcasse tubulaire (1), des tourbillons étant générés par l'écoulement du gaz au contact de la carcasse (1), caractérisée en ce que la carcasse (1) comporte des moyens pour réduire les effets desdits tourbillons sur la surface interne de la carcasse (1) au voisinage de ladite rainure (Ra). 2) Conduite flexible selon la revendication 1, caractérisée en ce que au moins une des spires de la bande métallique présente un profil en forme de S qui comporte une portion en contact avec le gaz naturel en écoulement, la portion comportant une première partie rectiligne (T2 ; T4) et parallèle à l'axe de la conduite (AA') et une deuxième partie (Ti ; Cl) formant une diminution du rayon intérieur de la carcasse (1) par rapport à ladite première partie, la deuxième partie étant située en aval de la première partie, dans le sens de l'écoulement du gaz. 3) Conduite selon la revendication 2, caractérisée en ce que la deuxième partie est un plateau (Ti) rectiligne parallèle à l'axe de la conduite. 4) Conduite selon la revendication 3, caractérisée en ce que la différence entre la distance entre la première partie et l'axe de la conduite et la distance entre ledit plateau et l'axe de la conduite est au moins supérieure à l'épaisseur (E) de la bande métallique. 5) Conduite selon la revendication 2, caractérisée en ce que la deuxième partie présente une pente rectiligne (Cl) formant un convergent dans le sens de l'écoulement du gaz, la pente (Cl) ayant un angle (a) compris entre 10° et 30° et s'étendant sur une distance axiale (L5) au moins trois fois supérieure à l'épaisseur (E) de la bande métallique. 6) Conduite selon la revendication 5, caractérisée en ce que ladite pente (Cl) est prolongée en arc de cercle formant une paroi de ladite rainure (Ra), l'arc de cercle ayant un rayon au moins supérieur à trois fois l'épaisseur (E) de la bande métallique. 7) Conduite flexible selon la revendication 1, dans laquelle le profil en forme de S comporte deux boucles réunies (BI ; B2) par une partie intermédiaire (0), caractérisée en ce que la partie intermédiaire (0) présente une pente rectiligne formant un convergent dans le sens de l'écoulement du gaz, la pente ayant un angle (R) compris entre 10° et 30° par rapport à l'axe de la conduite (AA') et s'étendant sur une distance axiale (L6) au moins quatre fois supérieure à l'épaisseur de la bande métallique. 8) Conduite flexible selon la revendication 1, dans laquelle le profil en forme de S comporte deux boucles (B3 ; B4) réunies par une partie intermédiaire (K), caractérisée en ce que la bande métallique comporte des trous disposés dans le voisinage de ladite partie intermédiaire (K). 9) Conduite flexible selon la revendication 1, caractérisée en ce que la bande métallique comporte des trous répartis sur la surface de la bande métallique.25