Brevet FR2983937A1 — publié le 20130614

Ensemble d'un embout de connexion et d'une conduite flexible de transport d'un fluide cryogénique La présente invention concerne un ensemble d'un embout de connexion et d'une conduite flexible de transport d'un fluide cryogénique. Un fluide cryogénique issu par exemple d'un procédé de liquéfaction de gaz est par exemple du gaz naturel liquéfié présentant une température inférieure à - 160°C. Le transport de ce genre de fluide, notamment depuis une unité de liquéfaction vers un navire de transport ou depuis un navire de transport vers une unité de stockage, est réalisé généralement au moyen d'une conduite flexible de transport ayant un diamètre intérieur de l'ordre de 400 mm de façon à assurer un débit élevé et un transbordement rapide. Les conduites flexibles utilisées pour effectuer ces opérations en milieu off-shore sont le plus souvent classées en deux catégories, les conduites flexibles aériennes et les conduites flexibles flottantes ou sous-marines. Dans le cas d'une configuration de transbordement de type côte à côte dans laquelle le bateau est amené le long d'un quai ou d'une unité flottante, la conduite flexible aérienne a une longueur de l'ordre de 40 à 70 mètres. Dans le cas d'une configuration du type tandem dans laquelle le navire est amené à la poupe ou à la proue de l'unité flottante, le navire et l'unité flottante étant sensiblement alignés, la conduite flexible aérienne a une longueur de l'ordre de 100 à 170 mètres. La configuration côte à côte nécessite une conduite flexible plus résistante que dans l'autre configuration. Pour un transbordement entre un navire et une unité flottante, au moyen d'une conduite flexible flottante ou sous-marine, cette conduite flexible a une longueur qui peut atteindre environ 350 mètres. Ces conduites flottantes ou sous-marines sont généralement celles qui travaillent dans les conditions les plus sévères du fait d'un rayon de courbure plus faible et d'une sollicitation dynamique plus forte due notamment au mouvement des supports flottants ainsi qu'une étanchéité plus difficile à maitriser vis-à-vis de l'environnement extérieur étant donné que la conduite flexible peut être immergée. D'une manière générale, la conduite flexible comporte de l'intérieur vers l'extérieur plusieurs couches, à savoir : - un tube intérieur ondulé, définissant une pluralité d'ondulations débouchant radialement vers l'axe de la conduite, - au moins une couche d'armures de traction enroulées, disposée autour du tube ondulé, - au moins une couche d'isolation thermique disposée autour de la couche d'armures, et - une gaine extérieure étanche. La couche d'armures de traction est formée par des armures de traction en acier inoxydable austénitique enroulées en hélice. Les conduites flexibles comportent également des embouts de connexion destinés à leur raccordement entre elles ou avec des équipements terminaux et ces embouts doivent être réalisés dans des conditions assurant à la fois une bonne solidarisation et une bonne étanchéité. En effet, les embouts de connexion doivent assurer plusieurs fonctions qui sont la fixation de l'extrémité du tube ondulé, l'ancrage des armures de traction ainsi que la protection thermique de la gaine externe et des moyens de sertissage de cette gaine externe. Pour cela, les embouts de connexion comportent, entre autres, une bride d'extrémité destinée à se raccorder à une bride d'extrémité d'un autre embout de connexion ou d'équipements terminaux. La bride d'extrémité de l'embout de connexion est fixée sur l'extrémité libre du tube ondulé par un cordon de soudure étanche et éventuellement par d'autres moyens appropriés. L'embout de connexion comporte également une voûte métallique enfilée sur l'extrémité du tube ondulé et sur laquelle sont fixées par soudage les extrémités des armures de ladite au moins une couche d'armures. Mais, lorsque la conduite flexible est fortement sollicitée en traction et en flexion au voisinage de l'embout de connexion, la fixation par soudage des extrémités des armures peut s'avérer insuffisante et les soudures peuvent se rompre prématurément. L'invention a pour but de proposer un ensemble d'un embout de connexion et d'une conduite flexible qui permet de réduire de manière importante les efforts transmis aux soudures des extrémités des armures lorsque la conduite est très fortement sollicitée en traction et en flexion. L'invention a donc pour objet un ensemble d'un embout de connexion et d'une conduite flexible de transport d'un fluide cryogénique, ladite conduite comprenant un tube intérieur ondulé, au moins une paire de couches croisées et superposées d'armures de traction enroulées en hélice et disposée autour du tube ondulé, au moins une couche d'isolation thermique disposée autour de ladite au moins une paire de couches d'armures et une gaine externe étanche et ledit embout comprenant, entre autres, une bride d'extrémité solidaire de l'extrémité libre du tube ondulé et une voûte métallique enfilée sur ladite extrémité du tube ondulé et sur laquelle sont fixées par soudage les extrémités des armures de ladite au moins une paire de couches d'armures, caractérisé en ce qu'il comprend un collier de serrage des portions d'extrémités des armures sur la voûte, formé d'au moins deux secteurs de 180°, comportant intérieurement une zone cylindrique de serrage de largeur égale ou supérieure à 15 mm, les secteurs du collier ménageant entre eux un jeu intermédiaire et étant reliés entre eux par des moyens élastiques de serrage aptes à appliquer sur lesdites portions d'extrémités des armures par la zone de serrage, une pression de serrage égale ou supérieure à 75 MPa. L'ensemble selon l'invention peut comporter l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prises isolément ou suivant toutes les combinaisons techniquement possibles : - le collier comprend trois secteurs de 120°, - la zone cylindrique de serrage présente une largeur comprise entre 15 et 200 MM, - la pression de serrage appliquée par la zone de serrage des secteurs du collier est comprise entre 75 et 300 MPa, - les moyens élastiques de serrage comprennent au niveau de chaque jeu entre deux secteurs adjacents, une série d'organes de vissage reliant lesdits secteurs et s'étendant perpendiculairement à l'axe longitudinal du collier, chaque organe de vissage étant associé à un élément élastique, du type ressort ou rondelle, - la zone de serrage est formée par au moins un appui cylindrique, - la zone de serrage est formée par deux appuis cylindriques parallèles, - l'appui cylindrique du côté de la bride d'extrémité de l'embout présente un diamètre légèrement inférieur au diamètre de l'appui cylindrique du côté de la conduite flexible, - chaque appui cylindrique présente de chaque côté, une portée conique, et - une couche de matériau polymère est interposée entre la zone cylindrique de serrage du collier et la couche d'armures. L'invention sera mieux comprise à la lecture 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 est une vue en perspective et partielle d'une conduite flexible de transport d'un fluide cryogénique, - la figure 2 est une demi-vue schématique et partielle en coupe axiale d'un ensemble d'un embout de connexion et d'une conduite flexible, conforme à l'invention, - la figure 3 est une vue schématique en perspective d'un collier de serrage des portions d'extrémités des armures de l'ensemble, conforme à l'invention, - la figure 4 est une vue schématique en coupe transversale des moyens élastiques de serrage du collier, - les figures 5 à 8 sont des vues schématiques en coupe transversale du collier de serrage, montrant différentes formes de la zone d'appui sur les portions d'extrémités des armures, - la figure 9 est une vue schématique en perspective d'une variante du collier de serrage, et - les figures 10 à 12 sont des schémas illustrant le principe de serrage par frottement des portions d'extrémité des armures au moyen du collier. Sur la figure 1, on a représenté partiellement une conduite flexible 1 destinée à transporter un fluide cryogénique tel qu'un gaz liquéfié, depuis une unité de liquéfaction vers un navire de transport ou depuis un navire de transport vers une unité de stockage. La conduite 1 a par exemple une longueur supérieure à 30 mètres et comprise notamment entre 30 et 350 mètres. Elle délimite un passage central 2 de circulation du fluide cryogénique d'axe AA. A tire d'exemple, la conduite flexible 1 comprend de l'intérieur vers l'extérieur : - un tube intérieur 3 ondulé en acier inoxydable , propre à assurer l'étanchéité au fluide et la résistance à la pression interne, - au moins une paire de couches 4 d'armures de traction enroulées en hélice, notamment en acier inoxydable austénitique, propre à supporter les charges axiales appliquées par la conduite 1, - un ensemble de couches 6 d'isolation thermique à base d'aérogel, et - une gaine externe 9 étanche constituée de deux gaines polymériques tubulaires 7 et 8 extrudées l'une sur l'autre. Cette redondance a pour but de garantir l'étanchéité externe de la conduite 1 de façon à empêcher l'eau de mer de pénétrer à l'intérieur de la paroi. La conduite flexible 1 comporte à chacune de ses extrémités un embout de connexion destiné à relier plusieurs tronçons de conduite flexible entre eux et également destiné à relier la conduite flexible avec des équipements terminaux. Ces embouts de connexion doivent être réalisés dans des conditions assurant à la fois une bonne solidarisation et une bonne étanchéité. Sur la figure 2, on a représenté un ensemble d'un embout de connexion 10 et d'une conduite flexible 1. Sur cette figure, seuls les éléments de l'embout de connexion 10 ayant un rapport avec l'invention, ont été représentés, les autres éléments composant cet embout de connexion ont été supprimés, afin de faciliter la compréhension. Les différentes couches 3 à 9 composant la conduite flexible 1 ont été représentées en coupe axiale. Ainsi que montré à la figure 2, l'embout de connexion 10 comporte une bride d'extrémité 11 solidaire de l'extrémité libre 3a du tube ondulé 3 par des moyens appropriés, de type connu. Cet embout de connexion 10 comporte également une voûte métallique 12 enfilée sur l'extrémité libre 3a du tube ondulé 3 et cette voûte métallique 12 comporte des moyens de liaison avec la bride d'extrémité 31, de type connu. Ladite au moins une paire de couches d'armures 4 est formée par des armures métalliques dont les extrémités libres 4a sont fixées sur la face externe de la voûte métallique 12 par soudure. A proximité de la voûte métallique 12, les armures 4 sont maintenues par un collier de maintien 19 enfilé sur les couches d'amures. Les armures de traction de la paire de couches d'armures croisées sont avantageusement enroulées avec des angles d'hélices sensiblement égaux en valeur absolue, mais opposés en signes. Ainsi, par exemple, si l'une des deux couches de la paire est enroulée avec un angle sensiblement égal à +35°, l'autre couche est enroulée avec un angle sensiblement égal à -35°. Cette caractéristique permet d'équilibrer la conduite 1 en torsion, c'est-à-dire de limiter sa tendance à tourner sous l'effet d'une traction. Afin de limiter les frottements entre le tube intérieur 3 et les couches d'armures 4, des couches anti-frottement non représentées sur la figure 1 sont avantageusement intercalées entre ces couches métalliques. Ces couches anti-frottement peuvent notamment être réalisées par enroulement d'un ruban polymérique en polyamide ou en PTFE. L'angle d'hélice des couches d'armures 4 de traction est avantageusement compris entre 20 et 50°. Comme montré à la figure 2, l'ensemble comprend un collier de serrage 20, des portions d'extrémités 4b des armures 4 sur la voûte métallique 12. Le collier de serrage 20 est formé de deux secteurs 21 de 180° et de préférence, comme représenté à la figure 3, de trois secteurs 21 de 120°. Les secteurs 21 du collier 20 ménagent entre eux (figures 3 et 4), un jeu intermédiaire 22 de quelques millimètres, ajusté au montage par calage et permettant de compenser les phénomènes de dilatation thermique de la conduite 1. D'une manière générale, les secteurs 21 du collier 20 comportent intérieurement une zone cylindrique 23 de serrage de largeur L égale ou supérieure à 15 mm. Les secteurs 21 du collier 20 sont reliés entre eux par des moyens élastiques 31 (figure 4) de serrage aptes à appliquer sur les portions d'extrémités 4b des armures 4 par la zone de serrage 23, une pression de serrage égale ou supérieure à 75 MPa. De préférence, la zone cylindrique 23 de serrage présente une largeur L comprise entre 15 et 200 mm. Ainsi que montré sur les figures 5 à 8, la zone de serrage 23 des secteurs 21 du collier 20 est formée par au moins un appui cylindrique 25. A titre d'exemple, l'appui cylindrique 25 présente une largeur L de l'ordre de 15 mm ou l'appui cylindrique 25 présente une largeur L de l'ordre de 50 mm. Selon une variante représentée à la figure 7, la zone de serrage 23 est formée par deux appuis cylindrique 25 parallèles. De préférence, l'appui cylindrique 25 situé du côté de la bride d'extrémité 11 de l'embout 10 présente un diamètre légèrement inférieur au diamètre de l'appui cylindrique 25 situé du côté de la conduite flexible 1 de façon à serrer un peu moins du côté de ladite conduite flexible que du côté de ladite bride. Selon une variante représentée à la figure 8, l'appui cylindrique 25 présente de chaque côté une portée conique 25a de façon à assurer un serrage progressif des armures 4 et ainsi à éviter les phénomènes de concentration de contrainte. Une telle portée conique 25a est plus utile du côté de la conduite flexible 1 que du côté de la bride d'extrémité 11 car les fils des armures 4 sont mobiles du côté de la conduite flexible 1 et fixes de l'autre côté. Le fait de serrer progressivement les fils mobiles avant de les bloquer fermement permet de réduire le risque de fatigue, notamment dans le cas d'applications très sévères. Les différentes variantes représentées sur les figures 5 à 8 présentent toute une symétrie par rapport au plan transversal situé à mi-longueur du collier 20. Cette caractéristique n'est cependant pas indispensable, et le collier pourrait parfaitement comporter un ou plusieurs appuis 25 non symétriques. Le fait d'avoir plusieurs appuis 25 au lieu d'un seul présente l'avantage de faciliter le montage. Dans ce cas, l'axe du collier se positionne naturellement parallèlement à celui de la voûte métallique 12 sans avoir besoin de caler le collier 20 pour éviter un éventuel basculement angulaire. Comme montré sur les figures 2 à 4, les moyens 31 élastiques de serrage comprennent, au niveau de chaque jeu 22 entre deux secteurs 21, une série d'organes de vissage 32 constitués par des vis ou des boulons s'étendant perpendiculairement à l'axe longitudinal du collier 20. A titre d'exemple, chaque série d'organes de vissage 32 est composée de trente organes de vissage. La tête 32a de chaque organe de vissage 32 est logée dans un alésage 27 ménagé dans un secteur 21 et le corps 32b dudit organe de vissage 32 traverse ce secteur 21 par un orifice 28. La partie filetée du corps 32b vient se visser dans un orifice taraudé 29 ménagé dans le secteur 21 adjacent, et en alignement avec l'orifice 28. Chaque organe de vissage 32 est associé à un élément élastique 35, du type ressort ou rondelle à ressort, interposé entre la tête 32a de l'organe de vissage 32 correspondant et le fond de l'alésage 27. La pression de serrage appliquée par ledit au moins un appui cylindrique 25 sur les portions d'extrémité 4b des armures 4 est comprise entre 75 et 300 MPa. Dans le but de réduire le poids du collier 20, ainsi que montré à la figure 9, l'épaisseur et/ou la largeur des secteurs 21 composant ce collier sont réduites. L'encombrement est fixé par les trente organes de serrage 31 disposés en quinconce. L'encombrement au niveau des zones de jonction n'est pas réduit. Pour cela et comme représenté sur cette figure, les emplacements des organes de serrage 31 sont disposés en saillie. Les figures 10 et 11 illustrent le principe du serrage avec un collier 20 en deux parties. Le collier applique sur les armures 4 formant un noyau cylindrique une pression P qui dépend des dimensions du collier et de la force de serrage F appliquée sur chacun des jeux 22. Dans le cas où l'épaisseur E du collier 20 est très inférieure à son diamètre intérieur D, la pression P suit la loi suivante : 2F P = (1) DL L étant la longueur du collier. Cette formule reste valable pour un collier 20 comportant plus de deux secteurs 21, la répartition circonférentielle de la pression P étant meilleure lorsque le collier 20 comporte un grand nombre de secteurs 21. Trois secteurs 21 constituent un bon compromis. Pour un collier 20 formé de trois secteurs 21, le collier comporte 90 organes de vissage 31 répartis en trois groupes de 30. Chaque organe de vissage 31 comprime un jeu de rondelles à ressort 35 présentant une force de rappel de l'ordre de 33000 N. Par suite : F = 30 x 33000 1000000 N c'est-à-dire à peu près 100 tonnes. De plus : E 35 mm D 515 mm. En outre, la largeur de serrage du collier 20 est : L = 20 mm Par suite, d'après l'équation (1) : P ( 2 x 1000000 ) / ( 20 x 515) = 194 MPa. La pression de serrage exercée par le collier 20 au niveau de l'appui cylindrique 25 central de largeur 20 mm est donc de l'ordre de 200 MPa. Ce niveau très élevé de pression permet de reprendre la totalité de la tension appliquée aux fils d'armures 4 par effet de frottement. En effet, en se basant sur l'illustration de la figure 12, la force Fr de retenue d'un fil d'armures 4 par effet de frottement est approximativement égale à : Fry fr.P.L.I (2) fr étant le coefficient de frottement entre le fil d'armures 4 et la voûte 12 et I étant la largeur du fil d'armure 4, le coefficient fr étant généralement compris entre 0,15 et 0,2 . Dans le cas présent, les fils d'armures 4 sont des fils rectangulaires en acier inoxydable de section I = 14mm x e = 2mm et de limite élastique Ys = 300 MPa. Par suite : Fr 0,15 x 200 x 20 x 14 = 8400 N Or, la tension maximale Tm que peut supporter chaque fil d'armures 4 en restant dans le domaine élastique est de l'ordre de : Tm = Ys. I e= 300 x 14 x 2 = 8400 N Aussi, la soudure de chaque fil d'armures ne voit aucun effort, la totalité de la tension étant reprise par frottement. Dans le cas où le coefficient de frottement est inférieur à 0,15 par exemple de l'ordre de 0,1 ce qui diminue Fr, la soudure reprend une partie de la tension. La force Fr de retenue par frottement est proportionnelle au produit de la pression P par la largeur L (Equation (2) ). En théorie, il n'est donc pas nécessaire d'imposer une pression P élevée dans la mesure où il est possible d'augmenter la largeur L. Ainsi, en se référant à l'exemple précédent, on peut obtenir le même résultat avec P = 40 MPa et L = 100mm au lieu de P = 200 MPa et L = 20mm. Cependant, il a été découvert que la pression P doit être supérieure ou égale à 75 MPa de façon à compenser les imperfections géométriques des couches d'armures 4, une partie de cette pression étant utilisée pour plaquer correctement les fils, le reste servant à générer la force de retenue par frottement. Les imperfections géométriques sont notamment liées aux tolérances géométriques des fils (différences d'épaisseur entre fils voisins) et surtout à la difficulté de préformer les fils pour qu'ils aient une trajectoire hélicoïdale tout en conservant une base parfaitement en appui sur la voûte 12 ou sur la couche sous jacente. C'est pourquoi en pratique les critères suivants doivent être respectés : P k 75 MPa et L 15 mm. Lorsque la conduite 1 est vide, la voûte 12 et le collier 20 ont sensiblement la même température, cette dernière étant proche de la température ambiante. Lorsque la conduite transporte du gaz liquifié à -160°C, la température du collier 20 peut être de 30°C supérieure à celle de la voûte 12, si bien que le diamètre du collier a tendance à augmenter plus que celui de la voûte. L'augmentation relative AD du diamètre du collier étant liée à ce phénomène peut s'exprimer ainsi : AD / D a AT AD a D AT (3) a étant le coefficient de dilatation thermique du matériau constituant la voûte 12 et le collier 20 et AT étant l'écart de température entre le collier 20 et la voûte 12. La voûte, le collier et les armures sont avantageusement réalisés en acier inoxydable austénitique car ce matériau présente l'avantage de rester ductile à très basse température. Le coefficient de dilatation thermique des aciers inoxydables austénitiques est sensiblement plus élevé que celui des aciers au carbone (15 10-6 K-1 pour les inox austénitiques et 12 10-6 K-1 pour les aciers au carbone). Dans le cas présent, D = 515mm, a = 15 10-6 K-1 et AT = 30°. Par suite : ODE 15 10-6 x 515 x 300,23 mm Dans ces conditions, la variation relative du périmètre du collier est u x AD 0,73 mm. Or, le collier comporte trois secteurs séparés par trois jeux, si bien que chaque jeu reprend 1/3 de cette variation, c'est-à-dire de l'ordre de 0,25 mm. Pour éviter une perte de serrage lorsque la conduite 1 est en service, le collier 20 comporte des moyens 35 élastiques de serrage. Dans le cas présent, ces moyens 35 ont une course supérieure ou égale à 0,4 mm, cette course étant largement suffisante pour accommoder la variation de jeu de 0,25 mm associée aux phénomènes thermiques. Une couche, non représentée, en matériau polymère est, de préférence, interposée entre la zone cylindrique 23 de serrage du collier 20 et la couche d'armures 4. Cette couche en matériau polymère d'épaisseur de l'ordre de 2cm évite le marquage de la couche d'armures, tout en transmettant la pression de serrage. REVENDICATIONS1.- Ensemble d'un embout de connexion (10) et d'une conduite flexible (1) de transport d'un fluide cryogénique, ladite conduite (1) comprenant un tube intérieur (3) ondulé, au moins une paire de couches croisées et superposées d'armures (4) de traction enroulées en hélice, disposée autour du tube ondulé (3), au moins une couche (6, 8) d'isolation thermique, disposée autour de la couche d'armures (4) et une gaine externe (9) étanche et ledit embout (10) comprenant, entre autres, une bride d'extrémité (11) solidaire de l'extrémité libre (3a) du tube ondulé (3) et une voûte métallique (12) enfilée sur ladite extrémité du tube ondulé (3) et sur laquelle sont fixées par soudage les extrémités (4a) des armures (4) de ladite au moins une couche d'armures, caractérisé en ce qu'il comprend un collier (20) de serrage des portions d'extrémités (4b) des armures (4) sur la voûte (12), formé d'au moins deux secteurs d'appui (21) de 180° comportant intérieurement une zone cylindrique (23) de serrage de largeur égale ou supérieure à 15 mm, les secteurs (21) du collier (20) ménageant entre eux un jeu intermédiaire (22) et étant reliés entre eux par des moyens (31) élastiques de serrage aptes à appliquer sur lesdites portions d'extrémités (4b) des armures (4) par la zone de serrage (23), une pression de serrage égale ou supérieure 75 MPa. 2.- Ensemble selon la revendication 1, caractérisé en ce que le collier (20) comprend trois secteurs (21) de 180°. 3.- Ensemble selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la zone cylindrique (23) de serrage présente une largeur comprise entre 15 et 200 mm. 4.- Ensemble selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la pression de serrage appliquée sur la zone de serrage (23) des secteurs (21) du collier (20) est comprise entre 75 et 300 MPa. 5.- Ensemble selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les moyens (31) élastiques de serrage comprennent au niveau de chaque jeu (22) entre deux secteurs (21) adjacents, une série d'organes de vissage (32) reliant lesdits secteurs (21) et s'étendant perpendiculairement à l'axe longitudinal du collier (20), chaque organe de vissage (32) étant associé à un élément élastique (35), du type ressort ou rondelle. 6.- Ensemble selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la zone de serrage (23) est formée par au moins un appui cylindrique (25). 7.- Ensemble selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que la zone de serrage (23) est formée par deux appuis cylindriques (25) parallèles. 8.- Ensemble selon la revendication (7), caractérisé en ce que l'appui cylindrique (25) du côté de la bride d'extrémité (11) de l'embout (10) présente un diamètrelégèrement inférieur au diamètre de l'appui cylindrique (25) du côté de la conduite flexible (1). 9.- Ensemble selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que chaque appui cylindrique (25) présente de chaque côté une portion conique (25a). 10.- Ensemble selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce qu'une couche en matériau polymère est interposée entre la zone cylindrique (23) de serrage du collier (20) et la couche d'armures (4).