Brevet FR2952245A1 — publié le 20110506

SYSTEME DE TRANSMISSION DE PUISSANCE ELECTRIQUE A TRAVERS UNE PAROI L'invention concerne la transmission de puissance électrique à travers une paroi, et en particulier le domaine des dispositifs de traversée de paroi (« feedthrough » en anglais) et des pénétrateurs. Un pénétrateur comporte habituellement deux éléments conducteurs en contact électrique l'un avec l'autre, et un ou plusieurs élément(s) isolant(s) disposé(s) autour de ces éléments conducteurs. Ce ou ces éléments isolants sont solidarisés à la paroi à traverser, de part et d'autre de cette paroi. On connaît un pénétrateur avec des éléments conducteurs ayant une section de diamètre relativement élevé, permettant ainsi de supporter des intensités de courant relativement élevées. Ce pénétrateur comporte des éléments isolants en polymère. Ce pénétrateur peut supporter une différence de pression de part et d'autre de la paroi de l'ordre de 35MPa (350 bars) pour une température de 80°C. Pour des températures plus élevées, compte tenu de la dégradation du polymère, il faut prévoir des différences de pressions supportables plus faibles, en particulier si le pénétrateur doit être utilisé pendant des durées relativement longues, de l'ordre de la vingtaine d'années par exemple. Il existe un besoin pour un système de transmission de puissance électrique à travers une paroi apte à supporter une différence de pression plus élevée, tout en supportant des intensités de courant transmis relativement élevées. Il est proposé un système de transmission de puissance électrique à travers une paroi, comprenant un (ou plusieurs) boîtier destiné à être monté de part et d'autre de la paroi à traverser, et deux sous-ensembles de pénétrateur disposés de part et d'autre du boîtier, chaque sous-ensemble de pénétrateur comprenant un élément conducteur et un élément isolant solidaires l'un de l'autre. Le système est agencé de façon à maintenir un contact électrique entre ces éléments conducteurs, tout en autorisant un mouvement axial relatif des éléments conducteurs l'un par rapport à l'autre. Les éléments isolants viennent en butée contre le (ou les) boîtier de façon à ce que les efforts de compression subis par chaque sous-ensemble de pénétrateur soient au moins en partie transmis à ce boîtier. Ainsi, le système est agencé de sorte que les efforts de compression subis par un sous-ensemble de pénétrateur sont transmis au boîtier plutôt qu'à l'autre sous-ensemble de pénétrateur. Ce système permet ainsi de découpler transmission de puissance électrique et transmission des efforts. Avec un système de transmission de puissance électrique à travers une paroi avec un seul pénétrateur, comme dans l'art antérieur, l'élément isolant ou la partie d'élément isolant subissant les efforts de compression transmet ces efforts à la partie du pénétrateur de l'autre coté de la paroi. Le pénétrateur travaille ainsi à la fois en traction et en compression. Le système proposé est au contraire agencé de sorte que chaque sous-ensemble de pénétrateur travaille en compression seulement. Ainsi, il est possible de choisir pour les éléments isolants des matériaux supportant relativement mal les efforts en traction, comme par exemple des matériaux céramiques. Ces matériaux céramiques présentent l'avantage de supporter des efforts de compression relativement élevés, par exemple de l'ordre de 2000 bars (200 MPa). L'invention n'est en rien limitée à l'utilisation de la céramique. On peut par exemple prévoir d'utiliser du verre, ou bien encore un polymère, par exemple un polymère Peek (marque déposée).On peut prévoir un seul boîtier ou plusieurs boîtiers, par exemple deux boîtiers respectivement de part et d'autre de la paroi. Le boîtier peut être en métal par exemple, ou bien en tout autre matériau capable de supporter les efforts transmis via les éléments isolants. Chaque élément conducteur peut être en une ou plusieurs pièces. Chaque élément isolant peut être en une ou plusieurs pièces. L'invention peut trouver une application dans les équipements destinés à être placés en mer (« offshore » anglais), à plusieurs milliers de mètres sous l'eau, par exemple des pompes, des compresseurs, ou autre. Par exemple, dans le cas d'une pompe, du fait de la profondeur, la pression d'un coté de la paroi du boîtier de la pompe peut être de l'ordre de plusieurs centaines de bars (plusieurs dizaines de MPa), tandis que de l'autre coté de la paroi, la pression de la pompe peut atteindre le millier de bars (plusieurs centaines de MPa). Le système est ainsi agencé de sorte que les deux sous-ensembles de pénétrateur travaillent en compression seulement, les efforts de compression subis par chaque sous-ensemble de pénétrateur étant transmis au boîtier et non à l'autre sous-ensemble de pénétrateur. L'invention n'est bien entendu pas limitée à cet exemple d'application. Avantageusement, le système peut comporter un manchon (« boot » en anglais) disposé autour d'une partie de contact électrique entre les éléments conducteurs. Ce manchon permet d'étanchéifier cette partie de contact. On évite ainsi l'entrée de fluide, et en particulier d'eau, à l'intérieur du système, ce qui risquerait de provoquer des fuites d'électricité vers le boîtier. Ce manchon peut être réalisé en élastomère ou en un (ou plusieurs) autre matériau isolant. Dans ce cas, le système peut comporter lors de l'assemblage un vent permettant d'équilibrer l'intérieur du système avec la pression atmosphérique. Le vent est ensuite rebouché, et l'intérieur du système étanchéifié. Alternativement, le système ne comporte pas de manchon autour de la partie de contact. On peut par exemple prévoir de laisser de l'air, par exemple à 1 atm (soit environ 101325 Pa), autour de cette partie de contact. L'invention n'est pas limitée par la forme de la partie de contact électrique, du moment que cette partie est agencée de façon à autoriser un mouvement relatif des éléments conducteurs l'un par rapport à l'autre. Pour chaque sous-ensemble de pénétrateur, l'élément isolant de ce sous-ensemble peut être disposé autour de l'élément conducteur de ce sous-ensemble, sur une partie au moins de la longueur de cet élément conducteur. Avantageusement, le système peut comporter, pour au moins un sous-ensemble de pénétrateur, un élément de contact en métal, disposé autour de et fixé à l'élément conducteur de ce sous-ensemble de pénétrateur, et en outre fixé à l'élément isolant de ce sous-ensemble de pénétrateur. L'élément de contact étant en métal, la liaison avec l'élément conducteur peut supporter le cisaillement occasionné par les efforts en compression subis par le sous-ensemble de pénétrateur. L'élément de contact et l'élément isolant peuvent être conçus de façon à être fixés l'un à l'autre par un joint sensiblement dans un plan perpendiculaire au plan de l'axe du système. Ainsi, lorsque le sous-ensemble subit des efforts de compression, le joint entre l'élément de contact, en métal, et l'élément isolant, en un matériau isolant, est-il travaillé en compression seulement. Ainsi, cet élément de contact permet de solidariser l'élément conducteur et l'élément isolant, même lorsque les efforts de compression subis sont relativement importants. L'élément de contact peut être fixé à l'élément isolant par une brasure ou par un autre moyen, par exemple un joint torique et un système vissé. La brasure constitue un moyen d'étanchéification résistant à des pressions relativement élevées. Le système comporte avantageusement d'autres moyens d'étanchéification pour isoler l'intérieur du système de l'extérieur, par exemple d'autres brasures ou des soudures. L'intérieur du système peut être rempli d'un fluide, par exemple de l'air à la pression atmosphérique, ou bien encore de l'huile. Il est également proposé un équipement pour une installation sous-marine, comprenant une (ou plusieurs) paroi apte à supporter une pression supérieure à 20 MPa. L'équipement comporte en outre un système de transmission de puissance électrique tel que décrit ci-dessus. Le boîtier de ce système est solidarisé à la paroi de façon à permettre la transmission de puissance électrique à travers cette paroi. L'équipement peut comprendre une pompe, un compresseur, ou autre. La paroi, le sous-ensemble de pénétrateur disposé à l'extérieur de l'équipement et/ou le sous-ensemble de pénétrateur disposé à l'intérieur de l'équipement, sont avantageusement capables de supporter une pression supérieure à 30 MPa, avantageusement supérieure à 34,5 MPa, avantageusement supérieure à 69 MPa, avantageusement supérieure à 88,8 MPa, avantageusement supérieure à 100MPa, avantageusement supérieure à 103,6 MPa, avantageusement supérieure à 155,7 MPa, avantageusement supérieure à 200 MPa. La paroi, le sous-ensemble de pénétrateur disposé à l'extérieur de l'équipement et/ou le sous-ensemble de pénétrateur disposé à l'intérieur de l'équipement sont avantageusement capables de supporter une température ou un différence de température entre l'intérieur et l'extérieur de l'équipement supérieure à 50°C, avantageusement supérieure à 80°C, avantageusement supérieure à 120°C, et inférieure à 1500°C. La paroi, le sous-ensemble de pénétrateur disposé à l'extérieur de l'équipement et/ou le sous-ensemble de pénétrateur disposé à l'intérieur de l'équipement sont avantageusement capables de supporter une température inférieure à -20°C, avantageusement inférieure à -50°C, et supérieure à -200°C. Dans la présente demande, par « contre », « sur » et autres termes similaires, on entend aussi bien « directement contre », « directement sur » qu' »indirectement contre », « indirectement sur ». En particulier, les éléments isolants peuvent être disposé directement contre un tiers élément lui-même disposé directement contre le boîtier. L'invention n'est donc pas limitée par la manière dont est disposé un élément isolant contre le boîtier, dans la mesure où les efforts de compression subis par le sous-ensemble de pénétrateur sont au moins en partie transmis au boîtier. D'autres particularités et avantages de la présente invention apparaîtront dans la description ci-après, laquelle se rapporte à un mode de réalisation non limitatif. La figure 1 montre un exemple d'installation de forage sous-marin comportant un équipement selon un mode de réalisation de l'invention. La figure 2 est une vue en coupe d'un exemple de système de transmission de puissance électrique, selon un mode de réalisation de l'invention. Des références identiques peuvent être utilisées pour désigner des éléments identiques ou similaires d'une figure à l'autre. En référence à la figure 1, est représentée une installation 1 sous-marine pour l'extraction d'hydrocarbures d'un puits 2. Une pompe 3 est alimentée en électricité par un câble 4 en provenance d'un bateau 5, d'une plate-forme ou bien encore d'un port. Cette pompe 3 est placée dans un équipement, ici un boîtier pompe 6, ayant une paroi 10 apte à supporter une pression extérieure P1 de l'ordre de 30 MPa et une pression intérieure P2 de l'ordre de 100 MPa. La température Ti à l'extérieur du boîtier pompe 6 peut être de l'ordre de 1°C, tandis que la température T2 à l'intérieur du boîtier pompe 6 peut être de 120°C environ. Un système 11 de transmission de puissance électrique à travers la paroi 10 permet d'acheminer le câble 4 jusqu'à la pompe 3. Ce système 11 est décrit plus en détail en référence à la figure 2. Ce système 11 permet de transmettre la puissance électrique nécessaire au bon fonctionnement de la pompe 3, et ce dans les conditions de pressions et de température décrites ci-dessus. Egalement, le cahier des charges de ce système 11 prévoit un fonctionnement normal pendant une durée de vie de l'ordre de 25 ans. La figure 2 montre un exemple de système de transmission de puissance électrique 11 à travers une paroi 10. Le système 11 comporte un premier sous-ensemble de pénétrateur 12 et un deuxième sous-ensemble de pénétrateur 22 disposés de part et d'autres de la paroi 10. Chaque sous-ensemble 12, 22, comporte un élément conducteur 14, 24, et un élément isolant 13, 23, autour de l'élément conducteur correspondant 14, 24. Les éléments conducteurs 14, 24 ont une section dimensionnée pour supporter des intensités de courant relativement élevées, par exemple entre 125 A et 2500 A, avantageusement entre 250 A et 1500 A, avantageusement entre 400 A et 1000 A, et des tensions également élevées, par exemple entre 3000 V et 200 kV, avantageusement entre 3600 V et 200 kV, avantageusement entre 6000 V, voire 6600 V, et 200 kV. Les éléments conducteurs peuvent par exemple avoir une section d'environ 50 à environ 300 mm2. Les deux éléments conducteurs 14, 24 sont raccordés électriquement l'un à l'autre par une partie de contact 36. Dans l'exemple représenté, cette partie de contact 36 comporte une partie mâle 16 d'une seule pièce avec l'élément conducteur 14 et une partie femelle 26 d'une seule pièce avec l'élément conducteur 24. Cet agencement autorise ainsi un mouvement axial relatif des éléments conducteurs 14, 24 l'un par rapport à l'autre tout en garantissant un contact électrique entre les éléments conducteurs 14, 24. Le système 11 comporte en outre un premier élément de contact 17 pour solidariser l'élément conducteur 14 à l'élément isolant 13. En effet, l'élément conducteur 14 est en métal, par exemple en cuivre, tandis que l'élément isolant 13 est réalisé en un matériau électriquement isolant, par exemple en céramique. Il serait relativement délicat de trouver un moyen pour solidariser directement ces éléments 13, 14 l'un à l'autre et qui soit capable de supporter des forces de cisaillement relativement élevées. L'élément de contact 17 étant en métal, il peut être fixé, par exemple par brasage, sur l'élément conducteur 14. La brasure 18 résultant de ce brasage entre deux pièces métalliques est apte à supporter des efforts de cisaillement relativement élevés. L'élément de contact 17 peut être fixé également par brasage à l'élément isolant 13. La brasure 19 résultante est destinée à subir principalement des efforts de compression, et devrait donc être relativement peu détériorée par les forces de pression, et ce même si cette brasure permet de solidariser deux types de matériaux très différents l'un de l'autre. De la même façon, un deuxième élément de contact 27 permet de solidariser l'élément conducteur 24 et l'élément isolant 23. Les éléments de contact 17, 27 peuvent être réalisés dans un métal relativement dur, en acier par exemple. La fixation par brasage présente l'avantage d'être relativement résistante à la pression, et peut en outre permettre de lier l'un à l'autre deux éléments réalisés dans des matières relativement différentes, par exemple un métal et un matériau céramique. Le joint de brasure obtenu présente l'avantage d'être étanche au fluide environnant. Le système 11 comporte en outre un boîtier 40 fixé à la paroi 10 par des moyens de fixation de type vis, et un manchon 60 en élastomère pour étanchéifier la partie de contact 36. Le boîtier 40 est agencé de façon à laisser passer le manchon 60 lors de l'assemblage. Puis une entretoise 42 et des flasques (« flange » en anglais) 41, 51 ou des disques (« pressure cap » en anglais) sont fixés au boîtier 40 selon des moyens bien connus de l'homme du métier. Les éléments isolants 13, 23 sont fixés par brasage aux parties en métal 41, 51. Les éléments isolants 13, 23 transmettent ainsi au boîtier 10 au moins 80% des efforts de compression subis du fait de la pression, avantageusement au moins 90% de ces efforts, avantageusement au moins 95% de ces efforts, et avantageusement la totalité ou la quasi-totalité de ces efforts. Chaque sous-ensemble de pénétrateur 12, 22, travaille ainsi essentiellement en compression, et non en traction. On notera que les éléments isolants sont agencés de sorte que les brasures 62, 61 fixant les éléments isolants 13, 23 aux parties en métal 41, 51 sont susceptibles d'être soumises à des forces de compression plutôt qu'à des forces de cisaillement, lorsque le système 11 est soumis à des pressions relativement élevées. Lors de l'assemblage, le système 11 comporte en outre un vent à l'emplacement 70, pour équilibrer la pression à l'intérieur du système, et en particulier autour de la partie de contact, avec la pression extérieure. Une fois le système assemblé, le vent est rebouché, par soudure par exemple. L'intérieur du système 11 est alors isolé de l'extérieur, permettant ainsi d'empêcher l'entrée de fluide. On peut noter un léger jeu radial entre les éléments isolants 13, 23 et les éléments conducteurs respectifs 14, 24. Ce léger jeu peut permettre de rattraper des éventuels défauts de positionnement de ces éléments.30 REVENDICATIONS1. Système (11) de transmission de puissance électrique à travers une paroi (10), comprenant un boîtier (40) destiné à être solidarisé à la paroi à traverser, et deux sous-ensembles de pénétrateur (12, 22) disposés de part et d'autre du boîtier, chaque sous-ensemble de pénétrateur comprenant un élément conducteur (14, 24) et un élément isolant (13, 23) solidaires l'un de l'autre, dans lequel les éléments isolants desdits deux sous-ensembles de pénétrateur viennent en butée contre le boîtier de façon à ce que les efforts de compression subis par chaque sous-ensemble de pénétrateur soient au moins en partie transmis audit boîtier, le système étant agencé de façon à maintenir un contact électrique entre les éléments conducteurs desdits sous-ensembles de pénétrateur tout en autorisant un mouvement axial relatif desdits éléments conducteurs l'un par rapport à l'autre. 2. Système (11) de transmission de puissance électrique à travers une paroi selon la revendication 1, dans lequel, pour au moins un sous-ensemble de pénétrateur (12, 22), l'élément isolant (13, 23) dudit sous-ensemble est réalisé en un matériau céramique. 3. Système (11) de transmission de puissance électrique à travers une paroi selon l'une des revendications 1 à 2, dans lequel, pour au moins un sous-ensemble de pénétrateur (12, 22), l'élément isolant (13, 23) est disposé autour de l'élément conducteur (14, 24) dudit sous-ensemble de pénétrateur, sur une partie au moins de la longueur dudit élément conducteur, un élément de contact (17, 27) en métal est disposé autour de l'élément conducteur dudit sous-ensemble de pénétrateur et est fixé audit élément conducteur, ledit élément de contact étant en outre fixé à l'élément isolant dudit sous-ensemble de pénétrateur.35 4. Système (11) de transmission de puissance électrique à travers une paroi selon la revendication 3, dans lequel l'élément de contact (17, 27) est solidarisé à l'élément isolant (13, 23) par une brasure (19). 5. Système (11) de transmission de puissance électrique à travers une paroi selon l'une des revendications 1 à 4, comprenant en outre un manchon (60) disposé autour d'une partie de contact électrique (36) entre les éléments conducteurs (14, 24). 6. Système (11) de transmission de puissance électrique à travers une paroi selon l'une des revendications 1 à 5, comportant un vent pour, lors de l'assemblage dudit système, équilibrer la pression à l'intérieur dudit système avec la pression extérieure. 7. Système (11) de transmission de puissance électrique à travers une paroi selon l'une des revendications 1 à 6, comportant en outre au moins un moyen d'étanchéification (18, 19, 61, 62) pour isoler l'intérieur dudit système de l'extérieur dudit système. 8. Equipement (6) pour une installation sous-marine, comprenant une paroi (10) apte à supporter une pression supérieure à 20 MPa, un système (11) selon l'une des revendications 1 à 7, le boîtier (40) dudit système étant solidarisé à la paroi de façon à permettre la transmission de puissance électrique à travers ladite paroi.25