Brevet FR2944085A1 — publié le 20101008

La présente invention concerne en général des tuyaux renforcés et en particulier un système, procédé et appareil améliorés pour précontraindre des colonnes montantes afin de partager une charge avec des couvertures composites. Dans la technique antérieure, la capacité de pression interne des colonnes montantes en alliage d'acier peut être augmentée en enveloppant les diamètres extérieurs (OD) des colonnes montantes avec un matériau composite, de sorte que la capacité de pression est partagée par le tuyau en acier et l'enveloppe composite. Par exemple, dans une application, un tuyau est enveloppé avec un matériau composite en fibres de carbone et matrice époxy qui est appliqué à l'OD. Le matériau composite est strictement limité à l'augmentation de la capacité d'effort circonférentiel du tuyau. De plus, une couverture en fibres de verre peut être appliquée par-dessus à la fois le matériau composite et le tuyau afin d'assurer une protection contre l'endommagement. En cours d'utilisation, le tuyau est soumis à des moments élevés de tension axiale et de flexion, à des pressions internes extrêmement élevées et à des charges de fatigue ambiante. En conséquence, un aspect de fabrication concerne la façon d'empêcher le tuyau de céder avant que la charge de pression interne ne soit reçue par le matériau composite. Plusieurs procédés qui abordent ce sujet ont été suggérés et comprennent les suivants : (a) appliquer une flexion préalable au tuyau enveloppé de matériau composite en mettant le diamètre intérieur (ID) sous pression au-delà de la résistance à l'allongement du tuyau afin d'assurer un partage de charge (également appelé "autofrettage") ; (b) laisser le partage de charge s'effectuer par l'intermédiaire d'une déviation (avec ou sans flexion) pendant l'utilisation normale du produit ; et (c) développer un effort circonférentiel en appliquant une forte tension aux fibres de carbone pendant l'enroulement des tuyaux (également appelé "frettage"). Bien que ces solutions soient réalisables pour certaines applications, des solutions améliorées avec des capacités de performances encore plus élevées seraient souhaitables. Des modes de réalisation d'un système, d'un procédé et d'un appareil pour précontraindre l'interface entre un tuyau et une enveloppe composite sur le tuyau sont décrits. L'invention améliore le partage de charge entre les deux matériaux et empêche ainsi la flexion des matériaux. Dans un mode de réalisation, le tuyau est mis en tension avant d'être enveloppé en circonférence avec un matériau to composite, comme un produit à base de fibres de carbone. Après que le tuyau ait été enveloppé et la précontrainte ait été relâchée, une interface précontrainte entre le tuyau et le matériau composite est obtenue. L'enveloppe composite peut être appliquée en circonférence à partir d'une machine à bobiner qui est tangente à l'OD du tuyau. Le 15 matériau composite est durci pour certaines applications afin de précontraindre l'interface entre le tuyau et le matériau composite. En variante, des fibres composites à orientation axiale peuvent également être appliquées, ou bien une combinaison de fibres axiales et circonférentielles. Les fibres peuvent être enveloppées par faisceaux ou 20 comme une bande préfabriquée continue. De plus, l'invention comprend divers procédés d'application de la tension aux segments de tuyau. Par exemple, un ou plusieurs pistons hydrauliques annulaires peuvent être insérés à l'intérieur d'une section de tuyau avant d'enrouler les fibres de carbone. Des raccordements 25 d'extrémité sont soudés aux tuyaux et sont formés (par exemple usinés) avec des particularités de réaction contre lesquelles réagissent les extrémités du piston. Le piston hydraulique applique une tension au tuyau et le tuyau est enroulé avec le matériau composite. Après que le matériau composite ait été enroulé et durci, la pression de piston 30 hydraulique est relâchée. L'équipement de mise en tension hydraulique est réutilisable pour chaque segment de tuyau. De façon avantageuse, le tuyau mis sous tension en interne n'interfère pas avec l'enveloppe externe des tuyaux. Le tuyau peut être filé avec une bobine de fibres stationnaire, ou la bobine de fibres peut s'enrouler autour d'un tuyau stationnaire. En variante, le tuyau peut être mis en tension en externe avec un cadre tendeur comportant un ou plusieurs vérins hydrauliques pour appliquer une force. Le cadre réagit à une pièce d'extrémité de résistance sur le tuyau, comme une particularité sur les raccordements d'extrémité soudés. Le vérin hydraulique réagit au cadre pour fournir la tension. Le système externe peut appliquer plus de tension au tuyau qu'un système interne. Le cadre n'interfère pas avec le processus d'enroulement et dispose d'un espace suffisant autour du cadre pour ajouter les fibres au tuyau. Dans un mode de réalisation, le tuyau tourne par rapport à la machine à bobiner et au cadre tendeur, et utilise des paliers haute capacité entre l'épaulement de réaction du tuyau et le cadre. Dans un autre mode de réalisation, une combinaison d'enveloppes composites durcies et non durcies est utilisée à proximité les unes des autres. Par exemple, un ensemble de fibres sèches ou un ensemble composite prédurci est d'abord enveloppé sur le tuyau sous tension afin d'appliquer une contrainte de compression au tuyau. Le tuyau est ensuite amené à tourner dans la direction opposée pendant qu'un matériau composite humide est simultanément appliqué au tuyau directement adjacent à l'ensemble de fibres sèches qui se déroule. De cette façon, le matériau composite humide bénéficie de l'état précomprimé sous le matériau composite sec. Après que le matériau composite humide ait complètement remplacé la fibre sèche, on laisse durcir le matériau composite humide sur le tuyau comprimé. Dans encore un autre mode de réalisation, la longueur et le diamètre du tuyau sont réduits avant l'enveloppement par une réduction significative de la température du tuyau. L'opération de refroidissement peut être effectuée par congélation extrême dans une chambre, ou par une fourniture continue d'un milieu froid à l'ID du tuyau (comme de l'azote liquide). Les températures froides peuvent réduire la capacité de durcissement de certains matériaux à matrice composite (par exemple une résine époxy vulcanisée à chaud). Cependant, des matériaux matriciels autres que les résines époxy vulcanisées à chaud (par exemple, les résines époxy durcies aux UV) peuvent être utilisés. De plus, le tuyau se dilate axialement suite au réchauffement, ce qui provoque une précontrainte axiale dans l'enveloppe composite. Ces objets et avantages, ainsi que d'autres, ressortiront de la description détaillée suivante de la présente invention, ainsi que des dessins joints, sur lesquels. la figure 1 est une vue isométrique d'un mode de réalisation d'un tuyau précontraint construit conformément à l'invention ; la figure 2 est une vue isométrique d'un tuyau montrant l'effet d'une tension appliquée à celui-ci ; les figures 3A à 3C sont des vues isométriques d'un autre mode de réalisation d'un tuyau précontraint dans des phases d'assemblage initiale, intermédiaire et finale, conformément à l'invention ; la figure 4 est une vue latérale en coupe d'un troisième mode de réalisation de la précontrainte d'un tuyau selon l'invention ; les figures 5A et 5B sont une vue latérale et une vue isométrique d'un quatrième mode de réalisation de la précontrainte d'un tuyau conformément à l'invention ; la figure 6 est une vue isométrique d'un cinquième mode de réalisation de la précontrainte d'un tuyau conformément à l'invention ; la figure 7 est un organigramme de haut niveau d'un sixième mode de réalisation de la précontrainte d'un tuyau conformément à l'invention ; la figure 8 est une vue isométrique schématique d'un autre mode de réalisation de la précontrainte d'un tuyau conformément à l'invention ; et la figure 9 est une vue isométrique schématique d'un autre mode 5 de réalisation encore de la précontrainte d'un tuyau conformément à l'invention. En se référant à la figure 1, un mode de réalisation d'un ensemble 11 comprenant un tuyau enveloppé d'un matériau composite 13 est montré. La lettre "T" représente une tension appliquée à la section de 10 tuyau le long d'un axe longitudinal de celle-ci. Bien que le tuyau soit représenté schématiquement sans raccordements d'extrémité, certaines applications du tuyau peuvent être munies de raccords ou d'autres moyens pour relier des sections de tuyaux ensemble le long de leurs axes. Le tuyau comprend aussi un matériau à matrice de fibres 15 composites 15 qui est superposé au diamètre extérieur (OD) du tuyau. La figure 2 montre les effets de l'application d'une tension axiale T au tuyau 13. A mesure que le tuyau est mis en tension il s'étire dans la direction dans laquelle la charge T est appliquée. Etant donné que le volume de matière ne peut pas changer, le tuyau dévie vers l'intérieur 20 pour une réduction de diamètre. Cela s'appelle l'effet de Poisson. Ainsi, quand un tuyau de longueur L et de diamètre D d'origine est mis en tension axiale T, le tuyau se dilate jusqu'à la longueur LT et diminue en diamètre jusqu'à DT, où LT > L et D > DT. Si la contrainte dans le tuyau est inférieure à la résistance à l'allongement, le tuyau reviendra par 25 élasticité aux dimensions D et T d'origine quand la tension est retirée. Si le tuyau 13 présente une restriction (par exemple, une couverture composite 15 comme le montre la figure 1) placée sur l'OD pendant que le tuyau est sous tension axiale T, la couverture 15 restreint la capacité du tuyau de revenir à sa forme d'origine après que 30 la tension a été retirée. Cette restriction produit une pression au niveau de l'interface entre le tuyau 13 et la couverture 15, qui développe un effort de traction circonférentiel dans la couverture 15 et un effort de compression circonférentiel dans le tuyau 13. En termes relatifs, si le module d'élasticité de la couverture est très supérieur à celui du tuyau, la contrainte sera supérieure, alors que si le module d'élasticité de la couverture est faible en comparaison avec le tuyau, la contrainte sera inférieure. La grandeur de cette précontrainte déterminera combien de partage de charge il y aura entre le tuyau et la couverture. Cette valeur peut être ajustée, par exemple : (a) en modifiant le module d'élasticité du tuyau (par exemple, en utilisant différents matériaux parmi l'acier, le titane, etc.) ; (b) en modifiant le module d'élasticité de la fibre composite ; et/ou (c) en modifiant la quantité de déviation de tuyau initiale par la grandeur de la tension. La mise en précontrainte du tuyau met un tuyau non chargé sous compression circonférentielle et tension axiale. Inversement, le matériau composite sur le tuyau se trouve en dilatation circonférentielle et sous compression axiale. En conséquence, quand le produit est en cours d'utilisation, une pression interne dans le tuyau est partagée par le matériau composite, de sorte qu'un tuyau avec une paroi relativement plus mince peut être utilisé pour accepter la même quantité de pression interne sans céder. Sans la précontrainte appliquée par l'enveloppe composite, les tuyaux à paroi plus mince risqueraient de céder avant que le matériau composite ne partage suffisamment de charge. De plus, une enveloppe composite circonférentielle risque moins de se séparer du tuyau quand une tension ambiante est appliquée en cours d'utilisation, en fonction de la grandeur de la tension préliminaire appliquée. Dans un mode de réalisation (figures 3A à c), l'invention comprend un procédé de formation d'un assemblage de tuyaux. Un tuyau 13 présente un axe, un diamètre intérieur et un diamètre extérieur. Une force, comme une tension T, est appliquée au tuyau dans la direction axiale de sorte que le diamètre extérieur est réduit à un diamètre de tension. Comme le montre la figure 3A, une couverture 15 est appliquée au diamètre extérieur du tuyau, comme à partir d'une machine combinée de fabrication/bobinage 21. Après que le tuyau 13 a été enveloppé comme le montre la figure 3B (par exemple, excepté les parties de raccord 23), la couverture peut être durcie par chaleur, rayonnement UV, etc. Ensuite, la tension sur le tuyau est relâchée (figure 3C) de sorte qu'une contrainte se développe à l'interface 25 entre le tuyau et la couverture. La contrainte améliore le partage de charge entre le tuyau et la couverture quand le diamètre intérieur du tuyau est mis sous pression dans des conditions opérationnelles. La couverture peut comprendre un matériau composite qui est en circonférence enveloppé sur le tuyau à partir d'une machine à bobiner, comme le montre les figures 3A et 3B. Par exemple, la couverture peut comprendre des fibres de carbone, dont au moins certaines sont orientées axialement 81 (figure 8) et dont au moins certaines sont orientées en circonférence 83 par rapport au tuyau 81. En variante, la couverture peut comprendre des faisceaux ou un tissu ou une bande préfabriqué(e) continu(e) (par exemple, une bande préimprégnée). Dans d'autres modes de réalisation (figures 4 à 5), une tension peut être appliquée au tuyau par un ou plusieurs dispositifs hydrauliques. Par exemple, comme le montre la figure 4, le piston 41 et le vérin 43 d'un dispositif hydraulique 45 peuvent être situés à l'intérieur 47 du tuyau 49. Des raccordements d'extrémité 48 peuvent être soudés au tuyau 49 et sont formés avec des particularités de réaction (par exemple, des épaulements) contre lesquelles réagit le dispositif hydraulique 45. Comme le montrent les figures 5A et 5B, un dispositif hydraulique 51 est situé en externe au tuyau 53. Le tuyau 53 est installé dans un cadre tendeur 55 (par exemple, avec ou sans paliers 57) comportant au moins un dispositif hydraulique 59 pour appliquer une tension au cadre tendeur 55 qui réagit contre des pièces d'extrémité de résistance sur les raccordements d'extrémité 58 du tuyau pour fournir la tension. Le tuyau 53 peut être mis en rotation de sorte que la couverture 61 est enveloppée à partir d'une bobine stationnaire 63 qui tourne seulement autour d'un axe de la bobine. En variante, la couverture 61 peut être déplacée autour du tuyau 53 alors que le tuyau est stationnaire, ou une combinaison de rotation du tuyau et de déplacement de la bobine autour du tuyau tournant est possible. En se référant maintenant à la figure 6, un matériau composite prédurci 71 peut être appliqué au tuyau 73 sous tension pour exercer une contrainte de compression sur le tuyau 73. Le matériau composite prédurci 71 est ensuite déroulé du tuyau 73 tout en appliquant un matériau composite non durci 75 au tuyau 73 directement à côté du matériau composite prédurci 71 qui déroule, de sorte que le matériau composite non durci 75 bénéficie de l'état comprimé du tuyau 73 sous le matériau composite prédurci 71. Après que le matériau composite non durci 75 a complètement remplacé le matériau composite prédurci 71, le matériau composite non durci 75 est durci sur le tuyau comprimé 73. Comme le montre la figure 9, un autre mode de réalisation de l'invention comprend l'application d'une autre source de contrainte de compression au tuyau. La source de contrainte de compression sur le tuyau peut comprendre un ensemble de rouleaux ou un ensemble de paliers 91 pour comprimer le tuyau 93. L'ensemble 91 est déplacé axialement par rapport au tuyau tout en appliquant le matériau composite non durci 95 au tuyau directement à côté de l'ensemble 91 qui se déplace. De cette façon, le matériau composite non durci 95 bénéficie de l'état comprimé du tuyau sous l'ensemble 91 comme décrit ci-dessus pour la figure 6. Un autre mode de réalisation en variante est représenté sur la figure 7 comme un organigramme de haut niveau. Le procédé commence comme indiqué à l'étape 81, et comprend la réduction d'une température du tuyau (étape 83), l'enveloppement du tuyau dans une couverture (étape 85), et ensuite le réchauffement du tuyau jusqu'à une température ambiante afin de fournir une tension axiale dans la couverture (étape 87), avant de se terminer comme indiqué à l'étape 89. La température du tuyau peut être réduite, par exemple par la congélation du tuyau dans une chambre, la fourniture d'un fluide froid au diamètre intérieur du tuyau, etc. La couverture peut comprendre une résine époxy durcie aux UV qui est durcie avec un rayonnement UV avant le 1 o réchauffement du tuyau. Alors que l'invention a été montrée ou décrite seulement dans certaines de ces formes, il doit être évident pour l'homme du métier qu'elle n'y est pas limitée, mais peut accepter divers changements sans s'éloigner du domaine de l'invention. 15 REVENDICATIONS1. Procédé de formation d'un assemblage de tuyaux, caractérisé par le fait qu'il comprend les étapes consistant à : (a) prévoir un tuyau avec un axe, un diamètre intérieur et un diamètre extérieur ; (b) appliquer une tension au tuyau dans une direction axiale ; (c) appliquer une couverture au diamètre extérieur du tuyau ; et ensuite (d) relâcher la tension sur le tuyau. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que l'étape (d) comprend en outre le fait d'appliquer une contrainte à une interface entre le tuyau et la couverture. 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que 15 la couverture comprend un matériau composite qui est en circonférence enveloppé sur le tuyau à partir d'une machine à bobiner. 4. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait qu'il comprend en outre le fait de mettre sous pression le diamètre intérieur entre le tuyau et la couverture pour améliorer le partage de charge entre 20 le tuyau et la couverture. 5. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que la couverture comprend des fibres de carbone, dont au moins certaines sont orientées axialement et dont au moins certaines sont orientées en circonférence par rapport au tuyau. 25 6. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait qu'après l'étape (c) et avant l'étape (d), en outre un durcissement de la couverture est effectué soit à la chaleur, soit par rayonnement UV. 7. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que la couverture comprend soit des faisceaux, soit une bande préfabriquée continue. 8. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que 5 l'étape (b) comprend l'application d'une tension au tuyau avec un dispositif hydraulique. 9. Procédé selon la revendication 8, caractérisé par le fait qu'un piston du piston hydraulique est situé à l'intérieur du tuyau. 10. Procédé selon la revendication 8, caractérisé par le fait que 10 des raccordements d'extrémité sont soudés au tuyau et sont formés avec des particularités de réaction contre lesquelles réagit le dispositif hydraulique. 11. Procédé selon la revendication 8, caractérisé par le fait que le dispositif hydraulique est situé à l'extérieur du tuyau. 15 12. Procédé selon la revendication 11, caractérisé par le fait que le tuyau est installé dans un cadre tendeur comportant au moins un dispositif hydraulique pour appliquer une tension au cadre tendeur qui réagit contre des pièces d'extrémité de résistance sur les raccordements d'extrémité du tuyau pour fournir la tension. 20 13. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que l'étape (c) comprend le fait de faire tourner le tuyau et d'envelopper la couverture sur le tuyau à partir une bobine stationnaire qui tourne seulement autour d'un axe de la bobine. 14. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que 25 l'étape (c) comprend le fait de déplacer la couverture autour du tuyau pendant que le tuyau est stationnaire.