Brevet FR2958361A1 — publié le 20111007

Installation de fabrication d'une conduite rigide d'aspiration d'eau en profondeur La présente invention concerne une installation de fabrication d'une conduite rigide d'aspiration d'eau en profondeur pour une installation de production d'énergie électrique offshore à partir de l'énergie thermique des mers. Une installation de production d'énergie de ce type comporte généralement une plateforme sur laquelle sont embarqués des moyens de production d'énergie électrique à partir de la différence de température de l'eau en surface et en profondeur, cette plateforme étant associée en outre à des moyens formant conduite d'aspiration d'eau en profondeur. Le principe de fonctionnement d'une telle installation dite «ETM» pour « Energie Thermique des Mers » consiste à utiliser la différence de température qui existe de façon naturelle entre l'eau en surface et en profondeur pour faire fonctionner une machine thermique. Du fait des lois de la thermodynamique, pour avoir un rendement acceptable, la mise en oeuvre de telles installations d'ETM ne se justifie que sous réserve d'une différence de température supérieure par exemple à 20°C. De façon typique l'eau peut par exemple être à une température de 25°C en surface et à une température de 5°C à 1000 mètres de profondeur. On conçoit alors que ceci limite l'utilisation de telles installations à des zones spécifiques telles que par exemple les zones tropicales. L'eau doit alors être pompée en très grande profondeur à travers des moyens formant conduite d'aspiration associés à la plateforme, tandis que l'eau chaude est pompée en surface. Différentes tentatives de mise au point d'installations de production d'énergie à base d'ETM ont déjà été faites. Des tentatives ont par exemple été menées par Georges CLAUDE dans les années trente. Bien entendu d'autres opérateurs ont fait d'autres tentatives depuis. Mais la très grande majorité de ces différentes tentatives ont échoué en raison de problèmes divers et en particulier de problèmes de tenue mécanique de certains éléments de ces installations aux conditions environnementales rencontrées. On sait en effet que dans les zones géographiques dans lesquelles ces installations peuvent être installées, des conditions météorologiques particulières peuvent être rencontrées telles que par exemple des courants marins relativement forts, des tempêtes, etc..., ce qui provoque la dégradation voire la rupture de certaines pièces de l'installation. D'autres problèmes apparaissent dès la fabrication de la conduite rigide d'aspiration d'eau en profondeur. En effet on a déjà proposé de réaliser cette conduite sous la forme de tronçons raboutés les uns aux autres par l'intermédiaire de moyens de liaison. On conçoit cependant que ceci présente un certain nombre d'inconvénients notamment au niveau de la complexité et du coût d'une telle structure. D'autres solutions ont consisté à réaliser cette conduite à terre et à la remorquer sur site d'exploitation. On conçoit que là également les opérations de manutention d'une telle conduite qui peut présenter plusieurs dizaines voire centaines de mètres de longueur, sont extrêmement fastidieuses. On sait par ailleurs qu'on a également proposé d'utiliser une technique de fabrication en continu de conduites en mettant en oeuvre une technique de mandrins dits «DROSTHOLM» telle que décrite dans le document FR-A-2 103 439. Un tel mandrin comporte essentiellement une bande de support sans fin en feuillard avançant en spirale pour former une surface cylindrique de dépôt de nappes d'enroulement filamentaires et qui remonte depuis la partie inférieure par l'intérieur du mandrin pour se renouveler en partie supérieure de celui-ci. Mais cette structure à bande s'avère inadaptée à la fabrication de conduites présentant les dimensions, et en particulier les diamètres, envisagées dans la présente application. Le but de l'invention est donc de résoudre ces problèmes. A cet effet, l'invention a pour objet une installation de fabrication d'une conduite rigide d'aspiration d'eau en profondeur pour une installation d'énergie thermique des mers, caractérisée en ce qu'elle comporte une plateforme flottante sur laquelle sont implantés des moyens de production en continu et à axe vertical de la conduite et comportant un premier étage d'enroulement de nappes de fibres imprégnées de résine, autour d'un mandrin d'enroulement et de réticulation partielle de celle-ci, formé par des éléments modulaires en forme de plaque, associés les uns aux autres pour former une bande se déplaçant en spirale et se renouvelant en partie supérieure du mandrin pour former une surface d'enroulement des nappes. Selon d'autres aspects de l'invention, l'installation de fabrication d'une conduite rigide d'aspiration d'eau comprend l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : - chaque élément modulaire se présente sous la forme d'une plaque, - l'installation comporte en outre : - un deuxième étage de réticulation complète de la résine, un troisième étage de fixation d'organes fonctionnels sur la conduite, un quatrième étage de contrôle de la conduite ainsi fabriquée, et un cinquième étage de guidage de la conduite. - la conduite comporte une nervure externe hélicoïdale adaptée pour coopérer avec des moyens de guidage du cinquième étage de guidage et de pilotage de la descente pour piloter la descente de la conduite dans l'eau, - des moyens de protection de la conduite fabriquée contre le rayonnement solaire, sont prévus entre la plateforme et l'eau, - les moyens de protection comprennent une bâche, et - le deuxième étage de réticulation complète de la résine comporte des moyens de chauffage de la conduite. L'invention sera mieux comprise à l'aide de la description qui va suivre donnée uniquement à titre d'exemple et faite en se référant aux dessins annexés sur lesquels : - la figure 1 représente un schéma synoptique illustrant la structure et le fonctionnement d'une installation de fabrication selon l'invention, et - la figure 2 représente un schéma illustrant la structure et le fonctionnement d'un mandrin entrant dans la constitution d'une installation selon l'invention. On a en effet illustré sur la figure 1, une partie d'une installation de fabrication d'une conduite rigide d'aspiration d'eau en profondeur qui est destinée à être mise en oeuvre dans une centrale d'énergie thermique des mers. En fait cette installation de fabrication de la conduite rigide comporte une plateforme flottante désignée par la référence générale 1, sur laquelle sont implantés des moyens de production en continu de la conduite d'aspiration, ces moyens permettant alors de produire en vertical et en continu, une conduite en matériau composite, fibres-résine, de grand diamètre compris par exemple entre 4 et 12 mètres par enroulement filamentaire. Ces moyens de fabrication sont désignés par la référence générale 2 sur cette figure et comportent un certain nombre d'étages parmi lesquels un premier étage d'enroulement des fibres et de pré-cuisson de la résine d'imprégnation, désigné par la référence générale 3. Cet étage comporte alors différentes têtes d'enroulement filamentaire autour d'un mandrin désigné par la référence générale 4 sur cette figure, mettant en oeuvre par exemple la technique des mandrins dits « DROSTHOLM » consistant en fait en une surface cylindrique de réception de la nappe d'enroulement filamentaire, avançant axialement en spirale pour entraîner ces nappes et formant ainsi la paroi de la conduite, cette surface remontant par l'intérieur du mandrin pour se renouveler en partie supérieure, de façon connue en soi. Ce mandrin sera décrit plus en détails par la suite. Ce mandrin est alors adapté pour entraîner la conduite dans un deuxième étage dit étage de post-cuisson et de réticulation complète de la résine, ce deuxième étage étant désigné par la référence générale 5 et comportant des moyens de chauffage 6 permettant d'obtenir la cuisson souhaitée de la résine. Ensuite la conduite passe dans un troisième étage dit de fixation d'organes fonctionnels tels que des appendices et des moyens de guidage hélicoïdal permettant par exemple de fixer sur la paroi externe de la conduite ainsi formée, une nervure en hélice formant pas de vis dont la fonction sera décrite plus en détail par la suite. Ce troisième étage de fixation est désigné par la référence générale 7 sur cette figure, tandis que la nervure hélicoïdale est désignée par la référence générale 8. Ensuite la conduite passe dans un quatrième étage dit d'ancrage de sécurité et de contrôle matière, désigné par la référence générale 9, dans lequel un certain nombre de contrôles de l'intégrité de la conduite sont effectués. Après ce quatrième étage d'ancrage et de contrôle, la conduite passe dans un cinquième étage de soutien, de guidage et de pilotage de la descente de celle-ci, cet étage étant désigné par la référence générale 10 sur cette figure et comportant alors des moyens de guidage désignés par la référence générale 11, à travers lesquels passe la conduite et en particulier la nervure de guidage hélicoïdale de celle-ci pour contrôler la descente de la conduite. A partir de la plateforme 1, la conduite descend dans l'eau telle que désignée par la référence générale 12 sur cette figure, des moyens de masquage au rayonnement solaire étant prévus par exemple entre la partie inférieure de la plateforme 1 et l'eau pour éviter toute dégradation de la conduite. Ces moyens de masquage sont désignés par exemple par la référence générale 13 et se présentent par exemple sous la forme d'une bâche de protection. Il va de soi bien entendu que d'autres modes de réalisation peuvent être envisagés. Des moyens en forme de grille ou de crépine peuvent également être prévus à l'extrémité inférieure de la conduite, ces moyens étant désignés par la référence générale 14 sur cette figure. On conçoit alors que grâce à une telle installation on peut produire in situ en continu et en vertical une conduite de diamètre important. L'idée de base est de reprendre une technique de production en continu de tuyauterie dite technique « DROSTHOLM » qui consiste en une surface cylindrique de réception de nappes de fibres d'enroulement filamentaire. Cette surface avance alors axialement en spirale et entraîne les nappes de fibres enroulées qui forment la paroi de la conduite rigide. Cette surface remonte ensuite par l'intérieur du mandrin pour se renouveler en partie supérieure de celui-ci. Cette technique est décrite dans le document FR précité. Cependant et alors que dans ce document, la surface cylindrique est formée par une bande continue de support sans fin en feuillard, dans l'installation selon l'invention, la surface cylindrique est formée par des éléments modulaires en forme de plaque de support, par exemple carrée, associés les uns aux autres pour former la bande constituant la surface cylindrique de support. Ceci est illustré sur la figure 2, où l'on reconnaît le mandrin désigné par la référence générale 4 et les éléments modulaires en forme de plaque de support dont l'un est désigné par la référence générale 15. Ces éléments modulaires sont alors associés les uns aux autres de toute façon appropriée pour constituer une bande d'éléments modulaires accolés les uns aux autres et former ainsi la surface de dépôt des nappes. De façon connue, cette bande se renouvelle en partie supérieure du mandrin. La première nappe de fibres est alors enroulée sur la surface ainsi formée et elle est entraînée vers le bas par le mandrin. Si par exemple la nappe fait 1 mètre de largeur et si le mandrin consiste en une spirale qui descend de 1 mètre par tour, la nappe descend alors également de 1 mètre par tour. Après un tour, elle retrouve l'enroulement initial sans se superposer. Lors de ce tour elle descend également de 10 centimètres tous les dixièmes de tour. Si on dispose de dix postes d'enroulement sur un tour, la nappe descendant de 10 centimètres tous les dixièmes de tour est alors recouverte d'une autre bande de fibres et sa partie haute a reçu dix épaisseurs de fibres sur le tour complet. Elle est ainsi liée aux autres couches sans discontinuité notable. Un tour permet alors d'obtenir 5 millimètres d'épaisseur de paroi avec des tissus de 600 grammes par mètre carré. Pour créer 100 mm d'épaisseur de paroi, il faut alors disposer de 20 rangées d'enroulement sur 20 mètres de hauteur. La machinerie associée au mandrin consiste alors en 200 chariots d'enroulement qui doivent assurer le guidage et l'imprégnation des nappes de fibre. En cours d'enroulement, la première réticulation est réalisée lors du dépôt de chaque nappe afin d'éviter par la suite une exothermie trop importante à cause des épaisseurs de paroi importante de l'ordre de 100 mm envisagées en final. En chauffant à une température de 45° à 50°C par exemple, température inférieure à la température de transition vitreuse de l'ordre de 100°C, la réticulation va par exemple atteindre un maximum de 30%. On aura ainsi dissipé 30% de l'exothermie totale sans rigidifier trop le réseau de macromolécules afin que la nappe se conforme bien à la courbure de la surface et adhère à la précédente. De plus cet état de pré-polymérisation immédiate donne accès à un compactage de la surface par des rouleurs presseurs, des ébulleurs, etc ... Dès que l'épaisseur de 100 mm est réalisée en bas des vingt étages d'enroulement, cet état de réticulation intermédiaire est complété à environ 60% et donne une rigidité initiale de maintien de la paroi qui permet alors de s'affranchir du soutien du mandrin. Celui-ci est dégagé peu à peu et remonte par l'intérieur de ce mandrin. Le mandrin étant dégagé, l'étage de post-cuisson doit conduire à la réticulation complète de la résine en chauffant par l'extérieur et par l'intérieur de la conduite. Cette réticulation complète est nécessaire pour éviter le vieillissement de la matière par reprise d'humidité. A ce niveau il ne reste que environ 30% de l'énergie à dissiper. Le rapport entre l'énergie générée par réaction chimique et à dissiper par la conduite thermique est le nombre de « DAMKOHLER ». Il doit rester inférieur à 1 pour éviter un emballement en température, et une destruction de la paroi de la conduite du tube allant jusqu'à l'explosion de l'empilement. Le pilotage fin de la réticulation est donc indissociable de la température pour assurer la réalisation d'une telle épaisseur de paroi. La vitesse de rotation est un paramètre de régulation. La fixation d'appendices de supportages ou d'appareillages vient dans la continuité de la cuisson précédente. En disposant un chemin de roulement hélicoïdal collé sur la paroi réticulée, un chemin de roulement complémentaire de galets va permettre de soutenir la conduite et de contribuer à l'entraîner en rotation. La variation du pas de cette hélice peut prendre en compte la masse du tube qui s'accroît lors de la fabrication. Ce chemin peut de façon réversible, remonter en partie le tube si la stratification n'est pas correcte ou s'il faut corriger la paroi. Le contrôle de fabrication s'exerce sur les composants résine et fibres jusqu'à la structure finale. Ainsi, et pour ce qui concerne la résine on peut contrôler l'indice d'acide car une valeur trop élevée conduit à une réticulation incomplète, la résine fournie étant alors mal élaborée. On peut également mettre en oeuvre : - un contrôle hebdomadaire de la tenue en styrène car son évaporation peut conduire à une moindre possibilité de réticulation, - un contrôle de la durée de gélification pour valider le contrôle de la réactivité de la résine, et - un contrôle de viscosité qui est nécessaire au bon mouillage des fibres des tissus. Le contrôle des fibres concerne quant-à-lui un contrôle des grammages et de l'intégrité mécanique des tissus. Les rouleaux de fibres fournis comportent une méthode de liaison pour lier rapidement deux tissus par recouvrement. Le matériau polymérisé peut quant-à-lui également être contrôlé car pour tous les matériaux et composants entrant dans la fabrication de la conduite, il convient de s'assurer que les valeurs minimales des propriétés définies sont respectées en réalisant des essais. Ainsi par exemple des méthodes de contrôles non destructifs possibles pour ces assemblages peuvent être : - un examen visuel qui permet de vérifier un bon ébullage, une bonne imprégnation, un bon recouvrement des plis, les conditions ambiantes, etc. . - un examen par mesure de dureté « BARCOL » qui permet de déterminer le niveau de réticulation atteint par comparaison. La mesure de la dureté « BARCOL » étant locale et les matériaux étant hétérogènes, il peut être observé une grande dispersion des résultats. La réticulation est correcte lorsque le matériau a une dureté satisfaisante par exemple supérieure à 40. Seule la surface est accessible. Des carottages de paroi sont à prévoir en fin de réticulation. - un examen par mesure DSC qui concerne la calorimétrie différentielle qui permet de mesurer l'énergie restant à dissiper après cuisson sur un échantillon de matière et de détecter un état de sous-polymérisation. La mesure par DSC est un contrôle destructif qui peut s'effectuer soit sur un prélèvement réalisé sur la conduite soit sur une plaquette ou un échantillon témoin, - un examen par radiographie qui peut être utilisé pour contrôler les assemblages d'accessoires réalisés par collage et détecter les zones de manque de colle, - un examen par ultra-sons qui permet de détecter les surfaces non collées, les délaminages, les vides, les variations d'épaisseur et le contrôle des taux de fibres par brûlage. Lors de la fabrication, l'environnement doit être propre et protégé des intempéries. La température ne doit pas être inférieure à 15°C et supérieure à 40°C. Comme mentionné plus haut une température de l'ordre de 40°C permet une pré-réticulation de la résine en dissipant une partie de l'énergie et de limiter l'exothermie dans le cas de réalisation de fortes épaisseurs c'est-à-dire supérieure à 30 mm. Une température ambiante élevée entraîne une réaction plus rapide de la résine. Il est possible de moduler le temps de réaction en ajoutant des agents retardants dans la résine. La caractérisation physico-chimique en réactivité permet la maîtrise de ces données. Le temps de stockage conduit à un degré de cuisson de l'ordre de 10%. L'hygrométrie ambiante doit également être inférieure à 80%. Pendant la phase d'enroulement il ne doit pas y avoir de condensation d'eau sur la paroi de la conduite. Compte tenu de l'épaisseur de la conduite, les porosités attendues par l'absorption d'énergie ne présentent pas non plus de caractère trop gênant comme dans le cas des pièces minces, celle-ci n'étant pas soumise à du cisaillement plan ou transverse dans son ensemble. On conçoit ainsi qu'il est possible de fabriquer in situ une conduite rigide d'aspiration d'eau froide qui doit permettre d'extraire de l'eau froide à une profondeur d'environ 1000 mètres. En fabriquant cette conduite in situ on s'affranchit d'un certain nombre de problèmes comme ceux liés à la fabrication à terre et au transport de celle-ci sur le site d'exploitation. Par ailleurs ceci permet également de réduire le coût d'une telle conduite. Il va de soi bien entendu que d'autres modes de réalisation encore peuvent être envisagés. REVENDICATIONS1.- Installation de fabrication d'une conduite rigide d'aspiration d'eau en profondeur pour une installation d'énergie thermique des mers, caractérisée en ce qu'elle comporte une plateforme flottante (1) sur laquelle sont implantés des moyens (2) de production en continu et à axe vertical de la conduite et comportant un premier étage (3) d'enroulement de nappes de fibres imprégnées de résine, autour d'un mandrin d'enroulement (4) et de réticulation partielle de celle-ci, formé par des éléments modulaires (15) en forme de plaque, associés les uns aux autres pour former une bande se déplaçant en spirale et se renouvelant en partie supérieure du mandrin pour former une surface d'enroulement des nappes. 2.- Installation de fabrication d'une conduite rigide d'aspiration d'eau selon la revendication 1, caractérisée en ce que chaque élément modulaire (15) se présente sous la forme d'une plaque. 3.- Installation de fabrication d'une conduite rigide d'aspiration d'eau selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que l'installation comporte en outre : - un deuxième étage (5) de réticulation complète de la résine, - un troisième étage (7) de fixation d'organes fonctionnels sur la conduite, - un quatrième étage (9) de contrôle de la conduite ainsi fabriquée, et - un cinquième étage (10) de guidage de la conduite. 4.- Installation de fabrication d'une conduite rigide d'aspiration selon la revendication 1, 2 ou 3, caractérisée en ce que la conduite comporte une nervure externe hélicoïdale (8) adaptée pour coopérer avec des moyens de guidage (11) du cinquième étage de guidage et de pilotage de la descente pour piloter la descente de la conduite dans l'eau. 5.- Installation de fabrication d'une conduite rigide d'aspiration selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que des moyens de protection (13) de la conduite ainsi fabriquée contre le rayonnement solaire, sont prévus entre la plateforme (1) et l'eau (12). 6.- Installation de fabrication d'une conduite rigide d'aspiration selon la revendication 5, caractérisée en ce que les moyens de protection comprennent une bâche (13). 7.- Installation de fabrication d'une conduite rigide d'aspiration selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que le deuxième étage (5) de réticulation complète de la résine comporte des moyens de chauffage (6) de la 5 conduite.