Brevet FR3049038A1 — publié le 20170922

Le secteur technique de la présente invention est celui des canalisations double enveloppe destinées au transport du pétrole brut. Dans le domaine de la production pétrolière, il est bien connu d'effectuer l'installation des canalisations au fond de la mer suivant un procédé communément appelé pose en J depuis un navire sur lequel des tronçons de canalisations sont stockés. Ces tronçons sont soudés les uns autres au fur et à mesure de la pose des canalisations. Une technique particulière consiste à utiliser des tronçons à annulaire étanche (brevet FR-2746891). Chaque tronçon se présente se présente sous la forme d'une double enveloppe entre lesquelles un matériau isolant thermique est disposé et dont le tube interne est saillant par rapport au tube externe dont les extrémités sont rabattues sur le tube interne. Entre ces deux tubes, du matériau isolant thermique est disposé et les deux extrémités du tuyau externe sont soudées au tuyau interne pour réaliser un espace annulaire étanche. Un tel tronçon fait typiquement 12, 24 48 voire 60m de long, et est réalisé par une fabrication à terre. Lors de l'assemblage offshore pour réaliser des pipelines multi-kilométriques, les tuyaux intérieurs de deux tronçons successifs sont réunis par soudure. Après soudure de deux tubes internes, l'espace libre où le tube intérieur est saillant par rapport au tube extérieur est calorifugé par installation d'une manchette thermiquement isolante autour de cette zone, une technique bien connue dans ce secteur technique. Ainsi le brevet FR-2805187 décrit un dispositif de protection de la soudure circonférentielle de deux tubes en prévoyant un moyen de rigidification sous la forme d'une manchette disposée au droit de la soudure. Cette manchette est fixée au niveau de cette soudure à l'aide d'un matériau durcissant injecté entre cette manchette et la jonction des deux tubes. Cette façon de faire permet de compléter cette jonction de manière simple et efficace. Se pose alors le problème de la conservation de l'intégrité de la jonction entre deux tubes consécutifs 3049038 2 surtout lors de la descente de la canalisation au fond de la mer dont la profondeur peut dépasser 2000 m. Etant donné l'absence du tube externe dans cette zone de soudure, le poids la ligne double enveloppe doit être soutenu par le seul 5 tuyau intérieur dans cette zone, ce qui peut mener à des contraintes axiales dépassant les capacités des aciers employés. Par ailleurs, compte tenu des poids élevés de ces lignes suspendues aux bateaux de pose, il est important que toute solution technique n'augmente pas significativement le 10 poids du pipeline. La présente invention présente un moyen de réduire les contraintes au droit de la soudure offshore avec une pénalité pondérale minimale. L'invention a donc pour objet un tuyau double enveloppe 15 destiné au transport d'hydrocarbures du type comprenant un tube interne et un tube externe dont l'espace annulaire est pourvu d'un matériau isolant thermique, caractérisé en ce que l'extrémité libre tube interne est munie d'une surépaisseur de matière sur une longueur significative afin d'augmenter la 20 résistance à la traction au niveau de la zone soudée. Selon une caractéristique de l'invention, l'extrémité libre du tube externe est rabattue sur la surépaisseur. Selon une autre caractéristique de l'invention, la surépaisseur de chaque tube interne est d'une longueur de 25 l'ordre de 300 à 400 mm. Selon encore une autre caractéristique, la surépaisseur de chaque tube interne est calculée pour limiter la contrainte axiale au droit de la soudure lors de l'installation verticale du tuyau. 30 Selon encore une autre caractéristique, la surépaisseur au niveau de la zone de saillance est de 2 à 30 mm, dépendant de la profondeur d'eau et des caractéristiques géométriques (diamètre, épaisseur) du tuyau. Un tout premier avantage de la présente invention réside 35 dans l'augmentation de la résistance en traction au droit de la soudure offshore du tuyau double enveloppe. Un autre avantage encore réside dans le fait que le tube interne avec son extrémité épaissie peut être fabriqué 3049038 3 directement en fonderie avec ses extrémités épaissies. La réalisation de tels tuyaux peut être faite par des sociétés comme Vallourec ou Tenaris qui les fournissent en général à des fins de forage (les extrémités sont usinées pour créer un 5 filetage permettant le raccordement entre tubes successifs par vissage) ou d'optimisation de l'intégrité face à des sollicitations alternées cycliques (typiquement pour des risers reliant le fond marin avec la surface et soumis à l'action des vagues et courants). Ces épaississements ne sont 10 pour réaliser un objectif thermique tout en réduisant la contrainte axiale subie lors de l'installation verticale, contrairement à la solution proposée. D'autres caractéristiques, avantages et détails de l'invention seront mieux compris à la lecture du complément 15 de description qui va suivre, de modes de réalisation donnés à titre d'exemple en relation avec des dessins sur lesquels : - la figure 1 représente en coupe deux tronçons partiels de tuyau double enveloppe, - la figure 2 représente en coupe deux tronçons de tuyau 20 double enveloppe après assemblage, - la figure 3 illustre la jonction isolée de deux tronçons de tubes, - la figure 4 représente la variation de la surépaisseur d'un tube de diamètre interne 143 mm en fonction de la 25 profondeur d'immersion, et - la figure 5 représente, pour ce même tuyau de 143mm de diamètre interne, d'une part la variation de la contrainte axiale dans le tuyau interne, lors de son installation à partir d'un vaisseau de pose, si l'on n'introduit pas de 30 surépaisseur (courbe 2) et d'autre part la limitation de la contrainte à 350 MPa si l'on accroît localement l'épaisseur du tuyau interne selon la courbe présentée dans la figure 4 (courbe 1). Comme représenté sur la figure 1, les tronçons 1 et 2 35 doivent être raccordés en vue de constituer un tuyau double enveloppe. Chacun des tronçons comprend un tube interne 3a ou 3b et un tube externe 4a ou 4b. Ces deux tubes délimitent un espace interne 5a ou 5b destiné à recevoir un matériau 3049038 4 isolant thermique selon une réalisation classique. On voit qu'au niveau de la zone de jonction, l'extrémité libre du tube interne 3a ou 3b comporte une surépaisseur de matière 6a ou 6b. 5 Cette surépaisseur 6a ou 6b est réalisée sur une longueur déterminée de l'ordre de 300 à 400 mm et suivant une épaisseur calculée pour limiter les contraintes axiales dans cette zone à un niveau acceptable. Cette longueur permet d'installer confortablement tous les équipements de soudure, 10 de contrôle de celles-ci et permet une découpe de réparation éventuelle ; moyennant quelques aménagements, elle peut être réduite à 150-250 mm. Enfin, on voit que l'extrémité libre du tube externe 4a ou 4b est rabattue en forme de tronc de cône sur la 15 surépaisseur respectivement 6a ou 6b. On notera que cette adjonction de surépaisseur ne pénalise pratiquement pas le tuyau double enveloppe sur le plan de sa masse : en effet, chaque tronçon fait 12 à 60 m de long et n'est épaissi qu'à ses deux extrémités, soit 600 à 800 mm, c'est-à-dire moins de 20 7% de sa longueur dans la réalisation la moins favorable et 2 à 4% dans le cas plus fréquent de 24 ou 48 m. Sur la figure 2, on a représenté l'assemblage des tronçons 1 et 2 après soudure des surépaisseurs 6a et 6b et des différentes enveloppes. On obtient une continuité de la 25 jonction des deux tubes internes 3a et 3b. Le tuyau double enveloppe ainsi obtenu est complété par une manchette, elle-même en double enveloppe constituée des éléments 7 et 8, réalisant un logement permettant de placer un isolant thermique dans l'espace annulaire. 30 On pourra adopter une surépaisseur sensiblement comprise entre 3 et 30 mm et une longueur l'ordre de 150 à 700 mm. L'épaisseur de la surépaisseur 6 sera déterminée en fonction de la contrainte s'exerçant au niveau de la zone de raccordement du tuyau interne pour des grandes profondeurs 35 d'immersion du tuyau double enveloppe. Sur la figure, la longueur d2 représente la longueur de saillance du tube intérieur 3 par rapport au tube extérieur 4 et la longueur dl est la longueur épaissie du tube intérieur 3. 3049038 5 Lors de l'installation du tuyau et surtout lorsque ce tuyau est position verticale, les contraintes s'exercent surtout au niveau de la longueur de saillance d2 du tube interne 3, puisque le tube externe 4 est absent à ce niveau. 5 Sur la figure 3, on a représenté en demi coupe la réalisation finale de la jonction des tronçons 1 et 2 où on a introduit un isolant thermique dans les différents espaces libres. Ainsi, les annulaires entre les tubes 3a et 4a et également 3b et 4b ont été équipés d'un isolant thermique 9a 10 ou 9b. On voit qu'un espace libre a été laissé entre l'isolant 9 et le tube externe 4a ou 4b. L'espace libre entre les manchettes 7 et 8 est également pourvu d'une couche de matériau isolant thermique L'espace libre entre la manchette 7 et la jonction des 15 deux tubes internes 3a et 3b est rempli à l'aide d'une résine thermodurcissable 10 que l'on injecte après réalisation de la soudure offshore. Ainsi, un tuyau double enveloppe conforme à l'invention peut être utilisé à des profondeurs d'eau de plus de 4 000 m. 20 La courbe selon la figure 4 montre la surépaisseur à adopter en fonction de la profondeur d'immersion pour un tube de 143 mm de diamètre interne, le tube interne étant par ailleurs dimensionné par la pression du fluide qu'il transporte et le tube externe par la pression hydrostatique à 25 la profondeur d'immersion. On voit que la valeur de la surépaisseur est en croissance régulière. Ainsi, pour une profondeur de 2000 m la valeur de l'épaisseur du tube est de l'ordre de 2 mm alors que pour une profondeur de 4000 m la surépaisseur du tube doit être de l'ordre de 23 mm ce qui est 30 compatible avec les outils de fabrication existant chez les tubistes. Il est évident pour l'homme de l'art que d'autres modes de réalisation de cette surépaisseur sont possibles, par exemple en raboutant pas soudage une longueur courte de tuyau à l'épaisseur voulue. 35 Les courbes selon la figure 5 représentent la contrainte axiale d'un tube en fonction de la profondeur. On voit que pour un tube 3 de 143 mm de diamètre interne muni d'une surépaisseur 6 comme représenté sur la figure 4, la 3049038 6 contrainte axiale peut être maintenue à moins de 350 MPa, quelle que soit la profondeur comme le montre la courbe 1. On obtient donc une dilution des contraintes au niveau de la surépaisseur 6. Par contre, la courbe 2 illustre la 5 contrainte pour le même tube mais sans surépaisseur en fonction de la profondeur d'immersion. On voit que la contrainte axiale augmente rapidement pour atteindre des valeurs déraisonnables, de 900 MPa à une profondeur de 4000 m, bien au-delà d'une limite élastique classique de ces 10 aciers comprise entre 400 et 500 MPa. Ainsi, la modification proposée selon l'invention consistant à prévoir une surépaisseur au niveau de la zone de saillance 6 assure une limitation de la tension axiale lors de l'installation verticale du tuyau double enveloppe en la 15 maintenant autour de 350 MPa pour toutes les profondeurs d'immersion. Il va de soi que ce principe est évidemment applicable à des tuyaux d'autres diamètres et matériaux. REVENDICATIONS1. Tuyau double enveloppe destiné au transport d'hydrocarbures du type comprenant un tube interne (3a, 3b) et un tube externe (4a, 4b) dont l'espace annulaire (5a, 5b) est pourvu d'un matériau isolant thermique, caractérisé en ce que l'extrémité libre de chaque tube interne (3a, 3b) est munie d'une surépaisseur (6a, 6b) de matière sur une longueur significative afin d'augmenter la résistance à la traction au niveau de la zone soudée et caractérisé en ce que l'extrémité (4a, 4b) du tube externe (4) est rabattue et soudée sur la surépaisseur (6a, 6b). 2. Tuyau double enveloppe selon la revendication 1, caractérisé en ce que la surépaisseur (6a, 6b) de chaque tube interne (3a, 3b) est d'une longueur de l'ordre de 300 à 400 15 mm. 3. Tuyau double enveloppe selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la surépaisseur (6a, 6b) de chaque tube interne (3a 3b) est de l'ordre de 3 à 30 mm. 4. Tuyau double enveloppe selon l'une des revendications 20 précédentes, caractérisé en ce que la surépaisseur (6) au niveau de la zone de saillance est de l'ordre de 2 mm.