Brevet FR2962186A1 — publié le 20120106

Assemblage d'un tube en matériau composite et d'une pièce métallique tubulaire La présente invention vise un assemblage d'un tube en matériau composite et d'une pièce métallique tubulaire, pour la réalisation de conduites notamment dans le domaine pétrolier. Les conduites peuvent être réalisées en raccordant de tels assemblages par 5 l'intermédiaire de leurs pièces métalliques respectives. Des tubes en matériau composite peuvent en particulier être utilisés pour constituer des conduites de production entre des réservoirs ou puits ou installations sous-marines et un système de production en surface (liaison fond-surface) ainsi que pour des lignes d'injection d'eau. L'utilisation de tubes en matériau composite permet notamment de réduire le poids de 10 la conduite et de faciliter sa mise en place. De plus, l'utilisation de tubes en matériau composite peut contribuer à réduire les charges sur la structure flottante et donc la masse de celle-ci. Le raccordement de ces conduites en surface et au fond doit permettre de garantir l'intégrité des connexions dans les conditions extrêmes auxquelles sont soumis ces systèmes. 15 Le document EP 0 511 138 décrit un procédé d'assemblage mécanique d'un tube en matériau composite à matrice thermodurcissable et d'une pièce métallique tubulaire, notamment pour l'exploitation pétrolière en mer. Le procédé d'assemblage consiste à introduire la pièce métallique dans le tube en matériau composite, puis à réaliser la solidarisation à l'aide de pions disposés suivant des alignements circonférentiels réguliers, 20 conformément à une loi de répartition spécifique. Un inconvénient d'un tel assemblage est que seule la première rangée de pions reprend l'effort, ce qui réduit la solidité de la connexion. La présente invention vient améliorer la situation. A cet effet, l'invention propose un procédé d'assemblage d'un tube en matériau 25 composite et d'une pièce métallique tubulaire, comprenant : - l'insertion d'une portion de ladite pièce métallique dans ledit tube en matériau composite, - la déformation radiale de ladite pièce métallique jusqu'à un domaine de déformation plastique suffisant pour entraîner une déformation élastique dudit tube 2 en matériau composite, afin d'obtenir un contact radial entre la paroi externe de la pièce métallique et la paroi interne dudit tube en matériau composite. La présente invention permet ainsi de réaliser des conduites présentant une résistance dans les zones de fixation proche de la résistance des parties courantes des tubes en matériau composite. En d'autres termes, l'invention permet de reprendre les efforts de traction auxquels la conduite peut être soumise sans endommagement du tube en matériau composite, jusqu'à atteindre une valeur proche de la valeur de rupture de la partie courante du tube voire supérieure. La connexion présente donc une résistance accrue, ce qui améliore l'intégrité de la 10 connexion. De préférence, la déformation radiale de la pièce métallique comprend l'application d'une pression à l'intérieur de ladite pièce métallique, pour entrainer une dilatation radiale de ladite pièce métallique. Selon un mode de réalisation de l'invention, la pression est générée par un outil 15 hydraulique à haute pression ou par un outil mécanique. La pièce métallique est par exemple en acier. Le matériau du tube composite comporte par exemple des fibres noyées dans une matrice thermoplastique ou dans une matrice thermodurcissable. Avantageusement, le procédé comporte, préalablement à l'insertion d'une portion de 20 la pièce métallique dans le tube en matériau composite, la disposition d'une colle ou d'un primaire d'accrochage sur la paroi externe de ladite pièce métallique ou sur la paroi interne du tube en matériau composite. Le procédé peut également comporter, préalablement à l'insertion d'une portion de la pièce métallique dans le tube en matériau composite, la pré-déformation locale d'une 25 extrémité dudit tube en matériau composite, destinée à recevoir ladite pièce métallique, pour créer au moins une excroissance radiale. La déformation radiale de ladite pièce métallique comprend alors en outre une opération de déformation locale correspondante, afin que ladite pièce métallique épouse la forme dudit tube en matériau composite. Cette pré-déformation peut être réalisée par une élévation de la température de ladite 30 extrémité du tube en matériau composite, et par l'utilisation d'un moule de forme correspondant à l'excroissance radiale. Une pré-déformation par élévation de la température est en particulier adaptée lorsque le tube en matériau composite est en thermoplastique. 3 Le moule peut comporter une partie externe au tube composite et une partie interne au tube composite, permettant d'imposer la déformation par une mise en pression et de maintenir la forme obtenue après déformation jusqu'au refroidissement du tube composite. Le procédé peut également comporter, préalablement à l'insertion d'une portion de la pièce métallique dans le tube en matériau composite, un usinage de la paroi interne de la pièce métallique, pour augmenter le coefficient de frottement entre le tube en matériau composite et la pièce métallique. Le procédé peut également comporter la mise en place d'une pièce externe de confinement, par exemple en métal, autour du tube en matériau composite et de la pièce métallique interne. La pièce externe contribue à la robustesse de l'assemblage. Cette contribution peut éventuellement être renforcée par un système actif de serrage. La pièce de serrage est de préférence disposée sur le tube composite préalablement à la pré-déformation locale éventuellement réalisée sur le tube composite. Le retrait élastique de la pièce de serrage permet d'augmenter le serrage du tube composite, ce retrait pouvant être obtenu lors du déchargement de la pression appliquée pour générer la déformation radiale de la pièce métallique tubulaire ou par une déformation appliquée directement sur la pièce de serrage. Une variante consiste à disposer des clavettes de serrage entre la pièce de serrage et le tube en matériau composite. Une extrémité de la pièce métallique tubulaire peut comporter au moins un joint 20 d'étanchéité. L'invention vise également un assemblage d'un tube en matériau composite et d'une pièce métallique tubulaire, obtenu par le procédé précité. L'invention vise également une conduite comportant un premier assemblage tel que précité, et au moins un deuxième assemblage, similaire au premier assemblage, raccordé au 25 premier assemblage. Le raccordement entre les assemblages peut comprendre une soudure des extrémités respectives des pièces métalliques des assemblages. Le raccordement entre les assemblages peut également comprendre un vissage ou un frettage des extrémités métalliques. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront encore à la 30 lecture de la description qui va suivre. Celle-ci est purement illustrative et doit être lue en regard des dessins annexés sur lesquels : la Figure 1 est une vue schématique simplifiée en coupe partielle longitudinale d'un assemblage d'un tube en matériau composite et d'un tube métallique selon un mode de réalisation de l'invention ; la Figure 2 est un organigramme illustrant les étapes d'un procédé d'assemblage 5 selon un mode de réalisation de l'invention ; la Figure 3 est une vue similaire à la Figure 1 montrant une étape de l'assemblage ; la Figure 4 est une vue similaire à la Figure 1 montrant une autre étape de l'assemblage ; les Figures 5 et 6 sont des vues similaires à la Figure 1 montrant des variantes de 10 réalisation de l'assemblage ; la Figure 7 est une vue schématique simplifiée montrant un raccordement entre deux tronçons élémentaires, chaque tronçon élémentaire étant constitué par un assemblage d'un tube en matériau composite et d'un tube métallique ; la Figure 8 est une vue similaire à la figure 7 montrant une variante de raccordement 15 entre deux tronçons élémentaires ; la Figure 9 est une vue similaire à la Figure 1 montrant une variante de réalisation de l'assemblage. La figure 1 montre un assemblage d'un tube en matériau composite 1, appelé tube composite ci-après, et d'une pièce métallique tubulaire 2, appelée tube métallique ci-après. 20 Le matériau composite du tube 1 est par exemple réalisé à base de fibres noyées dans une matrice thenmodurcissable ou thermoplastique. Le matériau composite peut notamment comporter des fibres de carbone et/ou des fibres de verre. Le tube métallique 2 est par exemple réalisé en acier. Dans la suite, on appelle tronçon élémentaire l'assemblage d'un tube composite 1 25 avec un tube métallique 2. En se référant à la figure 2, on décrit un mode de réalisation du procédé d'assemblage du tube composite 1 et du tube métallique 2, pour former un tronçon élémentaire apte à être connecté à d'autres tronçons élémentaires similaires pour former une conduite. 30 A l'étape SI, le tube en métal 2 est inséré dans le tube composite 1, comme symbolisé par les flèches 3 sur la figure 3. Le diamètre extérieur initial du tube métallique 2 est légèrement inférieur au diamètre intérieur du tube composite 1, pour permettre cette insertion. Le tube en métal 2 est inséré dans le tube composite 1 sur une longueur L (figure 1). La longueur L est choisie de manière à ce que la zone de connexion du tube composite 1 soit 5 suffisamment résistante, de préférence au moins aussi résistante que la partie courante du tube composite 1. Le tube métallique 2 comporte une portion 2a dépassant du tube composite 1. La portion 2a forme un embout pour permettre la connexion du tronçon élémentaire avec un autre tronçon élémentaire. A l'étape S2, une pression est appliquée à l'intérieur du tube métallique 2. L'étape S2 peut être réalisée à l'aide d'un outil mécanique ou hydraulique à haute pression comportant par exemple un coussin de forme allongée à insérer à l'intérieur du tube métallique 2, et une pompe pour envoyer un fluide hydraulique, qui peut être notamment de l'eau ou de l'huile, à haute pression dans le coussin. Le tube métallique 2 est soumis à une pression intérieure permettant de le déformer radialement jusqu'à un domaine de déformation plastique, tout en restant en-dessous de la limite de rupture du métal. La déformation radiale est symbolisée par les flèches 4 sur la figure 4. La paroi externe du tube métallique 2 vient alors en contact avec la paroi interne du tube composite 1, ce qui génère une contrainte radiale à l'interface entre les deux tubes 1, 2. La paroi externe du tube métallique 2 sollicite ainsi la paroi interne du tube composite 1 en traction, ce qui entraine une déformation élastique du tube composite 1. A l'étape S3, la pression interne est supprimée et l'outil mécanique ou hydraulique est retiré du tube métallique 2. Le tube métallique 2 et le tube composite 1 ne reviennent pas dans leur position initiale, car la forte pression interne imposée à l'étape S2 a conduit à une déformation dans la zone plastique du métal, c'est-à-dire à une déformation irréversible. Le tube métallique 2 et le tube composite 1 se rétractent néanmoins légèrement. La durée de l'étape S2 et la pression imposée sont déterminées pour que, malgré cette légère rétractation, l'assemblage du tube métallique 2 et du tube composite 1 présente une solidité suffisante. Par exemple, l'étape S2 peut être paramétrée pour permettre au tube composite 1 d'atteindre un état proche de sa limite élastique. L'état final de l'assemblage est représenté sur la figure 1. Le tube métallique 2 est sollicité en compression et le tube composite 1 est sollicité en traction, compte tenu de la 6 disposition des fibres du tube composite 1. La liaison mécanique entre le tube composite 1 et le tube métallique 2 est donc assurée grâce à une contrainte radiale résiduelle à l'interface des deux tubes 1, 2. Cette contrainte radiale permet une connexion résistante aux efforts de traction et de flexion. Les dimensions et les paramètres sont déterminés en fonction des caractéristiques souhaitées. On donne ci-dessous à titre d'exemple non limitatif, des valeurs pour un mode de réalisation particulier de l'assemblage avec un tube composite 1 présentant un diamètre intérieur d'environ 160mm et une épaisseur d'environ 15mm. La longueur L est de l'ordre de 1 m. La portion 2a présente une longueur de l'ordre de 30 cm à 50 cm. La pression appliquée à l'étape S2 est de l'ordre de 300 MPa. La contrainte radiale à l'interface entre les deux tubes 1, 2 est de l'ordre de 100 MPa. Le déplacement radial de l'interface pendant l'étape S2 est d'environ 1.6 mm. Et la contrainte de cisaillement au niveau de la surface externe du tube composite 1 est de l'ordre de 40 MPa. Après l'étape S3, la contrainte radiale résiduelle est de l'ordre de 74 MPa, le 15 déplacement radial de l'interface est d'environ 1.2 mm, et la contrainte de cisaillement au niveau de la surface extérieure du tube composite 1 est d'environ 30 MPa. De manière optionnelle, pour augmenter la solidité de la connexion, qui dépend de l'adhérence entre les deux tubes 1, 2, un produit de fixation, par exemple une colle ou un primaire d'accrochage, peut être disposé entre la paroi externe du tube métallique 2 et la 20 paroi interne du tube composite 1. Le produit de fixation est appliqué sur la paroi externe du tube métallique 2 avant son insertion dans le tube composite 1, ou sur la paroi interne dudit tube composite 1. L'adhérence peut également être augmentée par un usinage de la paroi externe du tube métallique 2, par exemple pour réaliser un état de surface rugueux, des stries ou un 25 profil type filetage. Un tel usinage permet une meilleure indentation mécanique des pièces en contact. La solidité de la connexion peut également être augmentée en modifiant localement le profil du tube composite 1 pour former une excroissance radiale 5 sur le tube 1, comme représenté sur la figure 5. Le tube métallique 2 est alors également déformé localement pour 30 former une excroissance radiale 6 coopérant avec l'excroissance 5. La déformation locale, également appelée reformage, permet d'augmenter la solidité de la connexion. La figure 6 montre une variante de réalisation d'une déformation locale des profils des tubes 1, 2. La modification locale du profil du tube composite 1 peut notamment être réalisée par une élévation de la température de l'extrémité du tube 1, pour atteindre une température de l'ordre de 200°C pour un tube thermoplastique à matrice polyamide, et par l'utilisation d'un moule de forme spécifique correspondant à la déformation souhaitée. Le moule permet de générer la déformation par l'intérieur du tube composite par une mise en pression et le maintien de cette déformation pendant la phase de refroidissement. La solidité de la connexion peut également être augmentée en disposant une pièce externe de confinement métallique, par exemple en acier, autour du tube composite 1 et du tube métallique 2. La pièce comporte un trou de passage pour le tube 1, par exemple de forme cylindrique ou conique, ou encore de forme adaptée à la forme du tube composite 1. La pièce externe contribue à la robustesse de l'assemblage, en permettant notamment de réaliser un serrage par frottement en appliquant une contrainte résiduelle extérieure par le retreint élastique de la pièce métallique. Cette contribution peut éventuellement être renforcée par un système actif de serrage, par exemple par l'interposition de clavettes de serrage entre le tube composite 1 et la pièce. La présente invention permet ainsi de réaliser des tronçons élémentaires destinés à être connectés entre eux pour réaliser des conduites de grande longueur. Le procédé d'assemblage selon l'invention permet d'obtenir une résistance dans la zone de fixation proche de la résistance de la partie courante du tube 2 voire supérieure. En se référant à la figure 7, le raccordement entre deux tronçons élémentaires peut par exemple être réalisé en soudant les extrémités libres de deux embouts 2a. En variante, le raccordement peut être réalisé par le biais d'un connecteur 8 (figure 8) disposé entre les deux embouts 2a. Le raccordement peut également être réalisé par un vissage ou par un frettage des embouts (2a). Un joint d'étanchéité 9 (Figure 9) peut être mis en place à l'extrémité du tube métallique 2 destinée à être insérée dans le tube composite 1, afin de réaliser une étanchéité complémentaire à l'interface entre le tube métallique 2 et le tube composite 1. En variante, plusieurs joints d'étanchéité peuvent être mis en place à l'extrémité du tube métallique 2. Comme représenté sur la figure 9, la forme du tube métallique 2 peut être adaptée pour atténuer les contraintes dans le tube composite 1 au niveau de l'extrémité 10 du tube métallique 2. Pour atténuer les contraintes, l'extrémité 10 du tube 2 présente par exemple un chanfrein ou une forme arrondie. La mise en pression est alors réalisée sur une zone délimitée ne comprenant pas l'extrémité 10. La présente invention a été décrite et illustrée dans la présente description détaillée et dans les Figures. La présente invention ne se limite pas aux formes de réalisation présentées. D'autres variantes et modes de réalisation peuvent être déduits et mis en oeuvre par la personne du métier à la lecture de la présente description et des Figures annexées. REVENDICATIONS1.Procédé d'assemblage d'un tube en matériau composite (1) et d'une pièce métallique (2) tubulaire, comprenant : - l'insertion d'une portion de ladite pièce métallique (2) dans ledit tube en matériau composite (1), - la déformation radiale de ladite pièce métallique (2) jusqu'à un domaine de déformation plastique suffisant pour entraîner une déformation élastique dudit tube en matériau composite (1), afin d'obtenir un contact radial entre la paroi externe de la pièce métallique (2) et la paroi interne dudit tube en matériau composite (1). 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en cc que la déformation radiale de la pièce métallique (2) comprend l'application d'une pression à l'intérieur de ladite pièce métallique (2), pour entrainer une dilatation radiale de ladite pièce métallique (2). 3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que ladite pression est générée par un outil hydraulique à haute pression ou par un outil mécanique. 4. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite pièce métallique (2) 20 est en acier. 5.Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le matériau composite dudit tube en matériau composite (1) comporte des fibres noyées dans une matrice thermoplastique ou une matrice thermodurcissable. 6. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte, préalablement à l'insertion d'une portion de ladite pièce métallique (2) dans ledit tube en matériau composite (1) : la disposition d'une colle ou d'un primaire d'accrochage sur la paroi externe de 30 ladite pièce métallique (2) ou sur la paroi interne du tube en matériau composite (1). 25 7.Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte, préalablement à l'insertion d'une portion de ladite pièce métallique (2) dans ledit tube en matériau composite (1) : la pré-déformation locale d'une extrémité dudit tube en matériau composite (1), 5 destinée à recevoir ladite pièce métallique (2), pour créer au moins une excroissance radiale (5), la déformation radiale de ladite pièce métallique (2) comprenant en outre une opération de déformation locale correspondante, afin que ladite pièce métallique (2) épouse la forme dudit tube en matériau composite (1). 8. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que la pré-déformation locale de l'extrémité dudit tube en matériau composite (1) est réalisée par une élévation de la température de ladite extrémité du tube en matériau composite (1), et par l'utilisation d'un moule de forme correspondant à l'excroissance radiale. 15 9. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce qu'il comporte, préalablement à l'insertion d'une portion de ladite pièce métallique (2) dans ledit tube en matériau composite (1), un usinage de la paroi interne de ladite pièce métallique, pour augmenter le coefficient de frottement entre le tube en matériau composite (1) et ladite 20 pièce métallique (2). 10. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte la mise en place d'une pièce externe de confinement autour du tube en matériau composite (1) et de la pièce métallique (2) interne. 11. Procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce qu'un système de serrage est disposé sur la pièce externe de confinement. 12. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'une extrémité de ladite 30 pièce métallique tubulaire (2) comporte au moins un joint d'étanchéité. 10 25 13. Assemblage d'un tube en matériau composite (1) et d'une pièce métallique (2) tubulaire, obtenu par un procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 12. 14. Conduite comportant un premier assemblage selon la revendication 13, et au 5 moins un deuxième assemblage, similaire au premier assemblage, raccordé audit premier assemblage. 15. Conduite selon la revendication 14, caractérisé en ce que le raccordement entre les assemblages comprend une soudure des extrémités respectives des pièces 10 métalliques (2) des assemblages. 16. Conduite selon la revendication 14, caractérisé en ce que le raccordement entre les assemblages comprend un vissage ou un frettage des extrémités métalliques (2).