Brevet FR3014165A1 — publié le 20150605

La présente invention concerne un embout de connexion d'une conduite flexible, notamment pour le transport d'un fluide en milieu marin. Elle concerne plus particulièrement une conduite flexible de type non-lié ("unbonded" en anglais) utilisée pour l'exploitation offshore de gisement pétrolier et/ou gazier. Ces conduites flexibles, généralement tubulaires, formées d'un ensemble de différentes couches de fils d'armure concentriques et superposées, sont dites de type non lié dès lors que les armures et les couches présentent une certaine liberté de se déplacer les unes par rapport aux autres. Ces conduites flexibles peuvent satisfaire, entre autres, aux recommandations des documents normatifs API 17J "Specification for Unbonded Flexible Pipe" et API RP 17B "Recommended Pratice for Flexible Pipe" établis par l'Americain Petroleum Institute. D'une manière générale, les couches constitutives comprennent notamment des gaines en matériau polymère assurant généralement une fonction d'étanchéité, et des couches de renfort destinées à la reprise des efforts mécaniques. Ces couches de renfort sont formées par des enroulements de feuillards, de fils métalliques, de bandes diverses ou de profilés en matériaux composites. La figure 1 illustre une conduite flexible de type de non lié utilisée pour l'exploitation offshore de gisements pétroliers et gaziers. Une telle conduite flexible comprend généralement, de l'intérieur vers l'extérieur, une carcasse interne (1) constituée d'un feuillard agrafé qui sert à résister à l'écrasement de la conduite sous l'effet de la pression externe, une gaine de pression interne (2), une voûte de pression (3) constituée d'au moins un fil métallique de forme agrafé et enroulé hélicoïdalement à pas court, ladite voûte de pression (3) servant à reprendre les efforts radiaux liés à la pression interne, au moins une nappe d'armures de traction (4) (quatre nappes telles qu'illustrées en figure 1) formées d'enroulements hélicoïdaux à pas long de fils, de feuillards, de bandes métalliques ou composites, lesdites nappes d'armures (4) étant destinées à reprendre les efforts longitudinaux que subit la conduite, et une gaine externe d'étanchéité (5) destinée à protéger de l'eau de mer les couches de renfort. La conduite illustrée en figure 1 est dite à passage interne non lisse ("rough-bore" en anglais), c'est à dire que le fluide circulant dans la conduite est en contact avec la carcasse interne (1), ladite carcasse interne (1) étant en effet la première couche en partant de l'intérieur. Cependant, la conduite flexible peut être également à passage interne lisse ("smooth-bore" en anglais), dans ce cas, la première couche de la conduite en partant de l'intérieur est une gaine d'étanchéité supplémentaire, par exemple en matériau polymère. Les conduites tubulaires flexibles comportent, à chaque extrémité, un embout de connexion destiné à assurer le raccordement des conduites entres elles, ou avec des équipements terminaux. 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, notamment l'ancrage des armures de traction ainsi que le sertissage et l'étanchéité des extrémités libres des différentes gaines, et en particulier le sertissage au niveau de l'extrémité libre de la gaine de pression interne. Une fonction essentielle d'un embout rigide d'une conduite flexible est de transmettre un effort de tension, et parmi les différentes couches qui composent le flexible, ce sont les couches d'armures qui reprennent cet effort, par conséquent l'ancrage des armures conditionne la résistance statique et en fatigue du système. Un exemple d'embout de connexion est décrit notamment dans la demande de brevet FR 2816389 A1. Pour cette réalisation, les armures sont pliées et dépliées et l'ancrage des armures est réalisé au moyen d'une résine du type époxy. La mise en forme générale des fils d'armures induit des facteurs de concentrations due à la géométrie particulières et à ses déformations plastiques et élastique locales. Lorsque les conditions d'utilisation sont sévères la résistance à la fatigue de ce système n'est pas suffisante. En effet, pour cet embout, la fabrication et la réalisation (notamment avec pliage/ dépliage) induisent en fonctionnement une sollicitation importante des fils dans une zone proche de l'entrée dans l'embout (au niveau du décollement des armures) ; le fil est soumis à un effort de traction, de flexion normale et transverse avec un état de contraintes résiduelles importantes. Pour palier cet inconvénient, la présente invention concerne un embout de connexion pour conduite flexible, pour lequel l'ancrage des fils d'armure est réalisé par coincement entre deux mors. Les mors ont sensiblement une forme conique et sont formés de telle sorte que les armures présentent un rayon de courbure continu. Ainsi, l'armure ne présente pas de point singulier dans l'embout et garantit une bonne résistance à la fatigue. De plus la forme géométrique requise des fils dans l'embout est préférentiellement proche de sa forme libre pour éviter d'introduire au maximum des contraintes résiduelles plastiques et élastiques (notamment dues à l'étape de pliage / dépliage). Le dispositif selon l'invention L'invention concerne un embout de connexion d'une conduite flexible, ladite conduite flexible étant du type non lié et comprenant notamment une gaine de pression interne et au moins une nappe d'armures de traction enroulés autour de ladite gaine de pression, chacune desdites nappes d'armures de traction comprenant une longueur d'extrémité ancrée dans ledit embout. L'ancrage de chacune desdites extrémités est réalisé par coincement de ladite extrémité entre deux mors de telle sorte que ladite longueur d'extrémité ne présente pas de point singulier, lesdits mors étant disposés dans ledit embout et étant sensiblement coniques.. Selon l'invention, ladite longueur d'extrémité présente un rayon de courbure sensiblement continu. Avantageusement, lesdits mors ont une forme d'un cône de révolution dont la génératrice est sensiblement une droite faisant un angle avec l'axe de révolution de ladite conduite flexible inférieure à 20°, de préférence inférieure à 10° et de manière préférentielle sensiblement égale à 5°, un arc de cercle ou une portion d'ellipse, de parabole ou d'hyperbole ou formée par deux rayons de courbures consécutifs. Selon un mode de réalisation de l'invention, ladite conduite flexible comprend au moins deux nappes d'armures de traction enroulées autour de ladite gaine de pression, lesdites extrémités desdites nappes d'armures de traction étant disposées les unes au- dessus des autres et coincées entre deux mors. Selon un autre mode de réalisation de l'invention, ladite conduite flexible comprend au moins deux nappes d'armures de traction enroulées autour de ladite gaine de pression, chaque extrémité desdites nappes d'armures de traction étant coincée individuellement entre deux mors. De préférence, ladite conduite flexible comprend deux nappes d'armures de traction enroulées autour de ladite gaine de pression et ledit embout comprend trois mors, parmi lesquels un mors intermédiaire en contact avec chacune desdites extrémités desdites nappes d'armures de traction. De manière avantageuse, au moins un desdits mors est déplacé au moyen d'au moins une tige filetée. Selon un aspect de l'invention, au moins un desdits mors est réalisé en acier doux. De plus, au moins un desdits mors peut comporter une épaisseur de polymère au niveau du contact avec ladite longueur d'extrémité d'une desdites nappes d'armures de traction. De préférence, ladite épaisseur de polymère est réalisée dans un matériau élastomère. Avantageusement, un desdits mors est fixé sur ledit embout ou sur une des couches de ladite conduite flexible. Selon une variante de réalisation de l'invention, au moins un desdits mors est rainuré pour le pré-positionnement de ladite longueur d'extrémité d'une nappe d'armures de traction. De manière avantageuse, la pression de serrage exercée par lesdits mors sur ladite longueur d'extrémité est comprise entre 3 et 100 MPa, de préférence sensiblement égale à 50 MPa. En outre, l'invention concerne une conduite flexible du type non lié comprenant notamment une gaine de pression interne et au moins une nappe d'armures de traction enroulés autour de ladite gaine de pression. Ladite conduite flexible comporte à au moins une de ces extrémités un embout de connexion selon l'invention. Présentation succincte des figures D'autres caractéristiques et avantages du procédé selon l'invention, apparaîtront à la lecture de la description ci-après d'exemples non limitatifs de réalisations, en se référant aux figures annexées et décrites ci-après. La figure 1, déjà décrite, illustre une conduite flexible. La figure 2 illustre une vue en coupe d'un embout selon un premier mode de réalisation de l'invention. La figure 3 illustre une vue en coupe d'un embout de connexion selon un deuxième mode de réalisation de l'invention. La figure 4 représente une vue tridimensionnelle en coupe d'un embout de connexion selon le deuxième mode de réalisation de l'invention. La figure 5 représente une vue en coupe du deuxième mode de réalisation de l'invention. La figure 6 illustre les efforts exercés sur une armure dans un embout selon l'invention. La figure 7 illustre une étape préalable à la fabrication de l'embout selon le deuxième mode de réalisation de l'invention. La figure 8 illustre les zones d'étanchéité de l'embout selon le deuxième mode de réalisation de l'invention. La figure 9 illustre une variante de réalisation des mors pour les deux modes de réalisation de l'invention. La figure 10 illustre l'angle d'enroulement d'un fil d'armure. Description détaillée de l'invention La présente invention porte sur un embout de connexion d'une conduite flexible, dans lequel l'embout rigide a notamment pour fonction de reprendre la tension mécanique axiale à laquelle est sollicitée la conduite flexible. Pour cela, l'invention consiste à ancrer dans l'embout de connexion des nappes d'armures comprises dans la conduite flexible, en coinçant (pinçant) les extrémités des nappes d'armures entre des mors afin de réaliser leurs accroches à la partie rigide de l'embout. Selon l'invention, les mors sont sensiblement coniques et présentent une forme de coincement de telle sorte que le fil ne présente pas de point singulier dans l'embout pour éviter de solliciter les armures au niveau de leur ancrage. On appelle point singulier, un point de l'armure pour lequel la forme (trajectoire tridimensionnelle) de l'armure varie brusquement, c'est à dire un point pour lequel la dérivée de la forme (trajectoire) n'est pas continue. Au niveau d'un point singulier, l'armure est fortement contrainte (concentration de contraintes), ce qui génère une réduction de la résistance statique et de la résistance à la fatigue. Les points singuliers peuvent être dus à la forme de l'armure (par exemple une discontinuité, ou un retournement tel que décrit dans la demande de brevet FR 2816389 Al) ou au procédé de fabrication. Un angle important formé par deux segments de droite est un exemple de point singulier . En effet, un avantage de l'invention est la progressivité de l'ancrage qui est possible par le système de pincement et une géométrie ne présentant pas de point singulier. Ceci est possible avec une géométrie présentant les caractéristiques suivantes : la géométrie (tridimensionnelle) du fil est continue, la dérivée de la fibre moyenne du fil d'armure étant continue, la surface de pose du fil ne présente pas de point d'inflexion, la dérivée seconde de l'équation de la courbe de pose du fil f(x) est toujours être du même signe, f"(x) 0 ou f "(x) O. La figure 11 donne un exemple de réalisation de la géométrie G du fil d'armure dans l'ancrage, en fonction de la profondeur d'ancrage. Ce profil est constitué de deux rayons de courbures successifs. Dans le cas où l'enveloppe de pose du fil est constituée par un assemblage de surfaces raccordées de manière tangente, les raccords vont induire des sauts de courbure normale. Cependant, ces sauts de courbure engendrent une contrainte de flexion supplémentaire qui doit être limitée. Cette contrainte va venir s'additionner à la contrainte de traction due à la sollicitation normale du flexible. Selon l'invention, la sur contrainte Acy générée par le saut de courbure AC, ne doit pas être élevée, et préférentiellement cette contrainte n'excède pas 10 % de la contrainte maximale acceptable par le fil d'armure en longueur courante (6'x = 0.55 qe, avec qe la limite élastique du fil d'armure). On peut écrire la relation suivante :2 ACn avec E le module de Young, et e l'épaisseur de l'armure. Pour ne pas avoir de sur-contraintes trop élevées, les sauts de courbure sont minimaux à l'entrée de l'ancrage où la contrainte dans le fil est maximale. Il est possible de modifier la trajectoire du fil de la longueur courante avec une modification mineure de la courbure locale du fil d'armure. De plus, dans l'ancrage, des sauts de courbure plus important sont admissibles tant que la sur-contrainte n'excédent pas la contrainte maximale de la longueur courante. Selon l'invention pour ne pas présenter de sur-contrainte, la courbure normale du fil dans l'ancrage ne subit de variation de courbure brutale. Avantageusement, la variation de courbure ACn du fil d'armure dans l'ancrage peut être limitée, préférentiellement de telle sorte que ACn La figure 4 est une vue tridimensionnelle de ce mode de réalisation. On peut observer notamment la réalisation de l'embout (6) en deux parties : le capot (6a) assurant l'étanchéité et la bride de raccordement (6b) permettant le raccordement de la conduite flexible à un embout d'une autre conduite flexible ou avec des équipements terminaux. Le serrage des mors (7, 9, 10) peut être réalisé au moyen d'au moins une tige filetée ou d'une bague filetée ou par tout autre moyen analogue. Un pré serrage provisoire hydraulique peut être utilisé. La figure 5 représente une variante de ce mode de réalisation de l'invention, pour laquelle le serrage commun des mors (7, 9, 10) est mis en oeuvre par une tige filetée (11) traversant les trois mors. Alternativement, le serrage des mors (7, 9, 10) peut être indépendant de manière à réaliser séparément l'ancrage des armures (4). Les trois mors du deuxième mode de réalisation sont présentés comme des pièces mono bloc. Toutefois, pour aider au montage en évitant les reprises d'usinage, on peut utiliser des mors en plusieurs pièces (découpage dans le sens de la longueur) afin d'ajuster le positionnement des armures par serrage. Le deuxième mode de réalisation de l'invention peut être adapté pour des conduites flexibles avec des nombres paires d'armures : pour chaque paire de nappes d'armures, on réalise l'ancrage au moyen de trois mors. Les mors peuvent être réalisés en acier doux afin d'obtenir une déformation plastique au niveau de la surface de contact pour améliorer le sertissage. Le montage est alors démontable mais les pièces en acier doux sont à remplacer. La figure 9 illustre une variante de réalisation des mors selon l'invention. Dans certains cas, les contacts acier / acier peuvent être évités de manière à limiter les problèmes de corrosion et/ou de fatigue de contact (fretting). Une épaisseur de polymère (13) peut être installée entre le fil d'armure (4) et le mors (7, 8, 9 ,10). L'utilisation de mors avec une couche de polymère (13) permet de limiter les glissements à l'interface avec le fils d'armure (4) car ces mors (7, 8, 9, 10) se déforment sous contrainte. L'épaisseur de cet élément non acier (13) peut être comprise en 1 et 50 mm. Le polymère peut être choisi parmi les élastomères. Afin de garantir l'ancrage des armures, on peut réaliser une préformation des armures avant leur montage. Un serrage hydraulique des mors peut être prévu pour mettre en place le montage. Pour améliorer les performances de l'ancrage, on peut augmenter le niveau de frottement à l'interface fil d'armure/mors. Pour cela, un collage structural et/ou une texturation de surface peuvent être utilisés. Une surface des mors peut être rainurée pour pré-positionner le fil d'armure. Le mors non rainuré est alors mobile et permet le sertissage. Un système de pré positionnement des fils d'armure peut être utilisé lors du montage de l'embout. La pression de serrage exercée par les mors sur ladite longueur d'extrémité des fils d'armure est comprise entre 3 et 100 MPa, de préférence sensiblement égale à 50 MPa, afin d'assurer un serrage suffisant sans créer une concentration de contraintes dans les armures. 25 Selon un exemple de réalisation de l'invention, les dimensions approximatives de l'invention sont : - la longueur hors tout (longueur totale) de l'embout est de l'ordre 1 400 mm, - le diamètre du capot (6a) est de 300 mm. 30 - la partie de l'ancrage a un encombrement d'environ 400 mm de longueur (par nappes) et de 250 mm de diamètre. Exemple de pré-dimensionnement: 35 La figure 6 représente différents efforts mis en jeu lors du serrage. Pour réaliser un calcul de pré-dimensionnement les éléments considérés sont : - une géométrie cône/cône (demi-angle au sommet) à 5°. les armures sont pincées entre deux mors plans. un coefficient de frottement à l'interface fil/mors est de 0,3 soit un angle de frottement de 17°. le système de mors est auto coinçant mais cet effet n'est pas pris en compte. - la reprise d'effort par effet cabestan n'est pas considérée. - une longueur d'ancrage de 300 mm. - la largeur de fil considérée en contact est de 10 mm pour prendre en compte les coins arrondis. - un effort de tension Ften de 1000 kN. L'effort normal FN à exercer sur chaque face de nappe d'armure est de 1 666 kN (= 1000/0,3/2) pour retenir les armures par frottement. L'effort de bridage axial doit être de 145 kN (= 1 666 x sin (17°+5°)). Ce bridage peut être réalisé par des tiges filetées, par exemple deux vis M12. L'allongement en sortie de connexion peut être estimé en considérant un blocage à son extrémité, si la contrainte maximale est atteinte, 1 200 MPa, alors l'allongement maximal csad.L '._., 1200.300 sera d'environ 2 mm ( = ). L'allongement en sortie d'embout dépendra de E 210 000 la longueur libre d'armure présente dans l'embout (entre la sortie des mors et la sortie de l'embout). Cette distance est de l'ordre de 400 mm donc augmente l'allongement en sortie d'embout à environ 4 mm. Ce système de mors permet d'encastrer le fil d'armure à son extrémité et de le libérer progressivement. L'effort de frottement va permettre de retenir le fil sur la longueur de prise des mors et de limiter ses déplacements / allongements. En outre l'invention concerne une conduite flexible comprenant au moins une gaine de pression, au mois une nappe d'armures et au moins un embout tel que décrit ci-dessus à une de ces extrémités. Au moyen de l'embout, la conduite flexible selon l'invention peut être raccordée à une autre portion de conduite flexible ou à un équipement terminal. Par exemple, la constitution de la conduite flexible peut être celle de la conduite flexible de la figure 1. La conduite flexible selon l'invention peut être utilisée notamment pour l'exploitation offshore d'un gisement pétrolier et/ou gazier. La conduite flexible selon l'invention peut satisfaire, entre autres, aux recommandations des documents normatifs API 17J "Specification for Unbonded Flexible Pipe" et API RP 17B "Recommended Pratice for Flexible Pipe" établis par l'Americain Petroleum Institute. L'invention présente donc de nombreux avantages : La géométrie spécifique des mors (circulaire, elliptique, parabolique...) permet un blocage progressif des armures et d'éviter tout point singulier (avantage par rapport au concept actuel). L'ancrage est adapté pour offrir une bonne résistance sous une sollicitation en fatigue. Les armures ne nécessitent pas de mise en forme spécifique (pas de pliage / dépliage, crochet). De plus, la préformation des fils n'est pas forcement obligatoire (simplification du montage). Cependant, la préformation peut être une voie d'amélioration de l'invention pour réduire les contraintes maximales ou faciliter le montage. Pour le deuxième mode de réalisation de l'invention, l'immobilisation des armures est réalisée nappe par nappe avec un montage en série qui permet de brider l'ensemble avec le même système. La figure 7 illustre une étape préalable à l'assemblage de l'embout (6). La mise en place des cônes (7, 9, 10) nécessite de découper les armures (4) à la longueur adéquate, les couches extérieures sont les plus courtes ce qui facilite l'opération de préparation. Un collier temporaire (12) d'immobilisation des armures permet de conserver l'organisation des nappes (4) pour le montage. De préférence, il est ensuite démonté. L'assemblage de l'embout de connexion (6) selon l'invention est donc facilité. Le système est démontable. Si des mors en acier doux ou si un collage structural des armures est utilisé, le démontage nécessite des outillages spécifiques et un changement de certaines pièces au remontage. La reprise d'effort mécanique de l'invention est renforcée par l'effet auto coinçant des cônes et par l'effet cabestan. Que ce soit par vissage avec clef dynamométrique ou par serrage avec un système hydraulique, l'invention assure une parfaite maîtrise des compressions de bridages, et cela indépendamment de l'opérateur L'accès aux zones d'étanchéité n'est pas dépendant de la technologie d'ancrage. En effet la figure 8 montre les zones d'étanchéité (Ze) qui ne sont pas dépendantes du moyen d'ancrage. REVENDICATIONS1) Embout de connexion d'une conduite flexible, ladite conduite flexible étant du type non lié et comprenant notamment une gaine de pression interne (2) et au moins une nappe d'armures de traction (4) enroulés autour de ladite gaine de pression (2), chacune desdites nappes d'armures de traction (4) comprenant une longueur d'extrémité ancrée dans ledit embout (6), caractérisé en ce que l'ancrage de chacune desdites extrémités est réalisé par coincement de ladite extrémité entre deux mors (7, 8, 9, 10) de telle sorte que ladite longueur d'extrémité ne présente pas de point singulier, lesdits mors étant disposés dans ledit embout (6) et étant sensiblement coniques. 2) Embout selon la revendication 1, dans lequel ladite longueur d'extrémité présente un rayon de courbure sensiblement continu. 3) Embout selon l'une des revendications 1 ou 2, dans lequel lesdits mors (7, 8, 9, 10) ont une forme d'un cône de révolution dont la génératrice est sensiblement une droite faisant un angle avec l'axe de révolution de ladite conduite flexible inférieure à 20 °, de préférence inférieure à 10° et de manière préférentielle sensiblement égale à 5°, un arc de cercle ou une portion d'ellipse, de parabole ou d'hyperbole ou formée par deux rayons de courbures consécutifs. 4) Embout selon l'une des revendications précédentes, dans lequel ladite conduite flexible comprend au moins deux nappes d'armures de traction (4) enroulées autour de ladite gaine de pression (2), lesdites extrémités desdites nappes d'armures de traction (4) étant disposées les unes au-dessus des autres et coincées entre deux mors (7, 8). 5) Embout selon l'une des revendications 1 à 3, dans lequel ladite conduite flexible comprend au moins deux nappes d'armures de traction (4) enroulées autour de ladite gaine de pression (2), chaque extrémité desdites nappes d'armures de traction (4) étant coincée individuellement entre deux mors (7, 9, 10). 6) Embout selon la revendication 5, dans lequel ladite conduite flexible comprend deux nappes d'armures de traction (4) enroulées autour de ladite gaine de pression (2) et ledit embout comprend trois mors (7, 9, 10), parmi lesquels un mors intermédiaire (9) en contact avec chacune desdites extrémités desdites nappes d'armures de traction (4). 30 35 7) Embout selon l'une des revendications précédentes, dans lequel au moins un desdits mors (7, 8, 9, 10) est déplacé au moyen d'au moins une tige filetée (11). 8) Embout selon l'une des revendications précédentes, dans lequel au moins un desdits mors (7, 8, 9, 10) est réalisé en acier doux. 9) Embout selon l'une des revendications précédentes, dans lequel au moins un desdits mors (7, 8, 9, 10) comporte une épaisseur de polymère (13) au niveau du contact avec ladite longueur d'extrémité d'une desdites nappes d'armures de traction (4). 10) Embout selon la revendication 9, dans lequel ladite épaisseur de polymère (13) est réalisée dans un matériau élastomère. 11) Embout selon l'une des revendications précédentes, dans lequel un desdits mors (7, 8, 9, 10) est fixé sur ledit embout (6) ou sur une des couches de ladite conduite flexible. 12) Embout selon l'une des revendications précédentes, dans lequel au moins un desdits mors (7, 8, 9, 10) est rainuré pour le pré-positionnement de ladite longueur d'extrémité d'une nappe d'armures de traction (4). 13) Embout selon l'une des revendications précédentes, dans lequel la pression de serrage exercée par lesdits mors (7, 8, 9, 10) sur ladite longueur d'extrémité est comprise entre 3 et 100 MPa, de préférence sensiblement égale à 50 MPa. 14) Conduite flexible du type non lié comprenant notamment une gaine de pression interne (2) et au moins une nappe d'armures de traction (4) enroulés autour de ladite gaine de pression (2), caractérisée en ce que ladite conduite flexible comporte à au moins une de ces extrémités un embout de connexion (6) selon l'une des revendications précédentes.