Brevet FR3106183A1 — publié le 20210716

Raccord (3) de canalisation pour pipeline à double enveloppe constitué d’un ensemble de sections (1, 2) comportant chacune un tube intérieur (2a, 2b) et un tube extérieur (4a, 4b) soudé au niveau de ses extrémités sur le tube intérieur (4a, 4b), deux sections successives (1, 2) étant reliées entre elles par la soudure des tubes intérieurs respectifs (2a, 2b) délimitant un segment (5) de tube intérieur, caractérisé en ce qu’il est constitué par un manchon (7) disposé au droit du segment (5) et un matériau de remplissage (8) constitué par un mortier à prise rapide à base de ciment alumineux et de sable, ledit matériau de remplissage (8) étant disposé dans l’espace libre délimité par le manchon (7), ledit segment (5) et les tubes extérieurs (4a, 4b) des deux sections successives (1, 2). Figure 2 Raccord pour jonction de pipeline à double enveloppe DOMAINE DE L’INVENTION Le secteur technique de la présente invention concerne les raccords pour jonction de pipelines à double enveloppe. Ces pipelines sont constitués de sections assemblées par soudure sur un bateau off shore. ETAT DE LA TECHNIQUE Dans le secteur pétrolier, on utilise depuis plusieurs décennies des canalisations à double enveloppe pour assurer l’isolation thermique de la conduite formée par l’assemblage successif par soudure de sections de tube à double enveloppe de longueur comprise entre 6 mètres et 50 mètres. Chaque section est constituée d’un tube intérieur et d’un tube extérieur concentrique et d’un isolant thermique dans l’annulaire formé par ces deux tubes. A chaque extrémité, le tube extérieur est déformé en forme de cône pour venir fermer l’annulaire hermétiquement en soudant le tube extérieur sur le tube intérieur. Le tube intérieur est légèrement plus long que le tube extérieur. Ces sections sont assemblées les unes après les autres par soudure sur une barge de pose offshore et déposées sur le fond marin pour former une canalisation de grande longueur entre 0,5 et 50 km typiquement. La soudure réalisée sur la barge est une soudure bout à bout entre les deux tubes intérieurs de deux sections successives. Après cette soudure, la jonction entre les deux sections est constituée alors uniquement par le tube intérieur nu simple enveloppe. Pour rigidifier cette liaison, un manchon calorifugé est glissé et centré au-dessus de la jonction simple enveloppe comprenant la soudure et recouvre de part et d’autre le tube extérieur sur une longueur de 1 à 3 fois le diamètre du tube de la canalisation pour assurer une efficacité de transfert suffisante des moments de flexion. Ce manchon est un tube à double enveloppe avec un isolant thermique dans l’annulaire. La longueur du manchon est typiquement de 1,8 à 3 m et son diamètre intérieur est supérieur au diamètre extérieur du tube extérieur pour permettre son insertion. Pour assurer le maintien du manchon sur la canalisation, on coule ou on injecte de manière connue un matériau de remplissage durcissable pour remplir le volume de la jonction comprise entre les tubes intérieurs et extérieurs de la canalisation principale et le tube intérieur du manchon (volume typiquement entre 20 à 50 litres). L’opération de remplissage avec le matériau durcissable est réalisée sur la barge de pose. Ce matériau durcissable est typiquement une résine polyuréthane. La performance thermique à la jonction entre deux sections est assurée par le manchon calorifugé. Le manchon couplé au matériau durcissable qui remplit le volume interstitiel a également une fonction mécanique pour renforcer la section de la canalisation à simple enveloppe. Sans ce manchon, les jonctions entre deux sections successives de tube à double enveloppe seraient les points faibles de la canalisation d’un point de vue mécanique et ne résisteraient pas aux contraintes mécaniques subies lors de la pose et des différents modes d’opération de la canalisation une fois posée sur le fond marin. L’efficacité mécanique de la jonction est classiquement évaluée par le facteur de transmission de contrainte, ou STF (Stress Transmission Factor en anglais). Il s’agit du ratio entre les contraintes en flexion (contrainte axiale) du tube intérieur au milieu de la jonction et du tube intérieur au milieu de la section de canalisation à double enveloppe. Plus le STF est petit, meilleure est l’efficacité de la jonction. Les avantages techniques de la jonction décrite ci-dessus permettent aux installateurs de canalisations de réaliser des réductions de couts importantes car la pose de cette canalisation ne nécessite qu’une seule soudure par section de tube à double enveloppe. Lors des opérations de pose de canalisations offshore, la durée de chaque opération est critique, car le cout journalier de la barge de pose est très élevé, typiquement entre 200 000 EURO et 1 000 000 EURO par jour. Chaque gain de temps dans la succession des opérations est un gain économique et rend la solution plus compétitive. Le fait de proposer une solution de jointure ne nécessitant qu’une seule soudure permet un gain de temps et une diminution de moitié du risque technique relatif à la soudure pour les opérateurs des barges de pose offshore. Une fois les deux tubes intérieurs soudés et la soudure contrôlée et protégée, l’installation complète du manchon avec demi-coquille se fait dans une durée réduite, typiquement inférieure à 10 min. Une limitation actuelle de cette jointure est sa tenue à la température. En effet, les matériaux durcissable utilisés aujourd’hui, de type résine polyuréthane, ne résistent pas à des températures supérieures à 100°C en milieu marin (eau sous pression) voire 80°C selon la durée de sollicitation envisagée (typiquement 10-20 ans). Les tests de vieillissement en autoclave montrent que les propriétés mécaniques d’une résine polyuréthane se dégradent à des températures supérieures à 100°C, voire 80°C. Un autre matériau utilisé est le Di-PolyCycloPentadiène (DPCD) qui lui présente une tenue en température pouvant aller jusqu’à 180°C. Par contre, ce DPCD manifeste au cours de son durcissement un retreint thermique et chimique non négligeable équivalent à plusieurs pourcents en volume. Ce retreint implique que ce matériau ne permet pas une bonne transmission des efforts mécaniques entre les deux sections successives et le manchon. En outre, ce retreint est aggravé par l’adhésion médiocre du DPCD avec les parois du manchon, du tube intérieur et du tube extérieur du pipeline. Le jeu créé par ce retreint est plus important dans la partie centrale du raccord de jonction, car c’est là où l’épaisseur du matériau durcissant est la plus grande, entre 20 et 50 mm environ. Le rétreint peut dans cette partie atteindre jusqu’à 1 à 4 mm. Cela entraîne bien entendu que les contraintes mécaniques subies par le tube intérieur du pipeline ne seront pas transmises efficacement au manchon et qui, dans le pire des cas, peut se déplacer sous son propre poids en situation verticale ou de manière générale coulisser le long de la canalisation. Il en résulte donc une réduction de la durée de vie du pipeline par rapport à la fatigue mécanique, car ce type de canalisation est soumis à de contraintes mécaniques, lors de la pose sur site off shore ainsi que tout au long du fonctionnement de la canalisation. C’est l’objectif de l’invention que de proposer un raccord pour jonction de sections de pipeline ne présentant pas ces inconvénients. L’invention a donc pour objet un raccord de canalisation pour pipeline à double enveloppe constitué d’un ensemble de sections comportant chacune un tube intérieur et un tube extérieur soudé au niveau de ses extrémités sur le tube intérieur, deux sections successives étant reliées entre elles par la soudure des tubes intérieurs respectifs délimitant un segment de tube intérieur, caractérisé en ce qu’il est constitué par un manchon disposé au droit de la soudure et un matériau de remplissage constitué par un mortier à prise rapide à base de ciment alumineux et de sable, ledit matériau de remplissage étant disposé dans l’espace libre délimité par le manchon, ledit segment et les tubes extérieurs des deux sections successives. Selon une caractéristique du raccord selon l’invention, le matériau de remplissage présente la composition en masse suivante : 30 à 49% de ciment alumineux, 40 à 58% de sable diorite, 0,6 à 1% de super-plastifiant, 0,5 à 1% d’un accélérateur de prise, et l’ajustement à 100% étant réalisé avec l’eau. Avantageusement, le matériau de remplissage présente la composition en masse suivante : 33% de ciment alumineux, 55% de sable diorite, 0,7 % de super-plastifiant, 0,6% d’un accélérateur de prise, et l’ajustement à 100% étant réalisé avec l’eau. Avantageusement encore, le matériau de remplissage présente la composition en masse suivante : 39% de ciment alumineux, 50% de sable diorite, 0,7% de super-plastifiant, 0,6% d’un accélérateur de prise, et l’ajustement à 100% étant réalisé avec l’eau. Avantageusement encore, le matériau de remplissage () présente la composition en masse suivante : 44 % de ciment alumineux, 45% de sable diorite, 0,8% de super-plastifiant, 0,6% d’un accélérateur de prise, et l’ajustement à 100% étant réalisé avec l’eau. Avantageusement encore, le matériau de remplissage présente la composition en masse suivante : 47% de ciment alumineux, 41% de sable diorite, 1% de super-plastifiant, 0,9% d’un accélérateur de prise, et l’ajustement à 100% étant réalisé avec l’eau. L’invention a également pour objet un procédé de réalisation d’un raccord dans lequel on amène en concordance deux sections de pipeline double enveloppe, puis on soude les tubes intérieurs entre eux, caractérisé en ce qu’on place un manchon au droit de la soudure des tubes intérieurs et on injecte le matériau de remplissage. Un avantage de la présente invention réside dans la résistance au vieillissement du matériau de remplissage à des températures pouvant aller jusqu’à 180°C et son temps de prise inférieur à 10 mn. Un autre avantage encore de ce mortier est qu’il ne présente pas de retreint lors de la prise en masse. Un autre avantage encore du matériau de remplissage réside dans le fait que le module d’élasticité en compression du mortier reste relativement constant dans la plage de température de cette application. Le module d’élasticité en compression est élevé, compris par exemple entre 20 000 MPa et 35 000 MPa Un autre avantage encore de ce matériau de remplissage réside dans le fait que le mortier est un matériau avec un coefficient de dilatation thermique semblable à celui de l’acier. D’autres caractéristiques, avantages et détails de l’invention seront mieux compris à la lecture du complément de description qui va suivre en rapport avec les dessins dans lesquels : représente une coupe de deux sections de pipeline assemblées, est une vue en coupe longitudinale du raccord de jonction selon l’invention d’une jonction de pipeline à double enveloppe, est une vue en coupe transversale du raccord de jonction selon l’invention. est une autre vue en coupe transversale du raccord de jonction selon l’invention. DESCRIPTION DETAILLEE DE MODES DE REALISATION DE L’INVENTION L’invention va maintenant être exposée avec d’avantage de détails. Comme indiqué précédemment un pipeline double enveloppe est constitué de plusieurs sections raccordées entre elles de façon à obtenir des longueurs de l’ordre de plusieurs centaines de mètres ou de plusieurs kilomètres. Il s’agit alors de réaliser un raccord de ces différentes sections et de protéger et consolider la jonction entre deux sections successives. Sur la figure 1, on a représenté deux sections 1 et 2 de tuyau double enveloppe équipé d’un raccord 3. Il va de soi que le pipeline est constitué d’un grand nombre de sections selon le souhait du client. Chaque section 1 ou 2 comprend un tube intérieur 2a, 2b et un tube extérieur 4a, 4b entre lesquels l’annulaire ainsi délimité est équipé d’un isolant thermique non représenté. Sur la figure 2, on a représenté en coupe longitudinale le raccord 3 où on voit les tubes intérieurs 2a, 2b, les tubes extérieurs 4a, 4b. Chaque tube extérieur est classiquement soudé au niveau de ses extrémités sur les tubes intérieurs après avoir été rabattus comme cela est visible sur la figure. Les tubes intérieurs 2a et 2b ont été soudés ensemble en délimitant un segment 5 de tube intérieur unique. Ce segment comme expliqué précédemment est renforcé à l’aide d’un raccord 6 selon l’invention constitué par un manchon 7 disposé au droit du segment 5 et un matériau de remplissage 8. Le manchon 7 se présente sous la forme d’un tuyau double enveloppe. Le matériau de remplissage 8 est disposé dans l’espace libre délimité par le manchon 7, ledit segment 5 et les tubes extérieurs 4a et 4b des deux sections successives 1 et 2. Ce matériau de remplissage 8 est constitué par un mortier à prise rapide à base de ciment alumineux et de sable dont la composition sera explicitée ci-après. Sur la figure 3 qui est la coupe axiale selon AA de la figure 2, on a représenté le tube interne 2a, le matériau de remplissage 8 et le manchon 7 constitué de ses tubes intérieur 9 et extérieur 10 séparés par un isolant thermique 11. On voit que le matériau de remplissage 8 occupe tout l’espace libre disponible entre le segment 5 et le manchon 7. Sur la figure 4 qui est une coupe axiale BB de la figure 2, on a représenté le tube intérieur 2b, le tube extérieur 4b, le matériau de remplissage 8 et le tube intérieur 9 du manchon 7. Selon l’invention, le matériau de remplissage 8 est constitué par un mortier à base de ciment alumineux ayant la composition en masse suivante : 30 à 49% de ciment alumineux, 40 à 58% de sable diorite, 0,6 à 1% de super-plastifiant, 0,5 à 1% d’un accélérateur de prise, et l’ajustement à 100% étant réalisé avec l’eau. L’homme du métier pourra en fonction de ses impératifs techniques déterminer la composition à adopter en choisissant le pourcentage adapté. Ainsi, les compositions suivantes peuvent être utilisées : EXEMPLE 1 - 33% de ciment alumineux, 55% de sable diorite, 0,7% de super-plastifiant, 0,6% d’un accélérateur de prise, et l’ajustement à 100% étant réalisé avec l’eau. EXEMPLE 2 39% de ciment alumineux, 50% de sable diorite, 0,7% de super-plastifiant, 0,6% d’un accélérateur de prise, et l’ajustement à 100% étant réalisé avec l’eau. EXEMPLE 3 44% de ciment alumineux, 45% de sable diorite, 0,8% de super-plastifiant, 0,6% d’un accélérateur de prise, et l’ajustement à 100% étant réalisé avec l’eau. EXEMPLE 4 47% de ciment alumineux, 41% de sable diorite, 1% de super-plastifiant, 0,9% d’un accélérateur de prise, et l’ajustement à 100% étant réalisé avec l’eau. Les compositions précédentes de mortier peuvent être réalisées de la manière suivante. On réalise d’abord un mélange intime du ciment alumineux et du sable diorite, puis on y ajoute le super-plastifiant et enfin l’eau. Le mélange intime ainsi obtenu peut être maintenu souple tant que l’accélérateur n’a pas été additionné. Lorsqu’un raccord doit être réalisé, on y ajoute l’accélérateur au mortier en mélangeant l’ensemble qui doit être utilisé très rapidement. Pour réaliser le raccord 3, on soude les tubes intérieurs 2a et 2b puis on place le manchon au droit du segment 5 en recouvrant les tubes extérieurs respectifs 4a et 4b, puis on coule ou injecte rapidement le mortier dans l’espace libre délimité par le manchon 7, le segment 5 et les tubes extérieurs 4a et 4b. Les propriétés de ce mortier sont excellentes comme matériau de remplissage pour des températures allant jusqu’à 180°C. Parmi ces propriétés, on peut citer : Temps de fin de prise : Résistance à la compression : >10MPa à l’état frais, >60MPa à maturité ; Maniabilité : Le mortier peut être coulé ou injecté entre deux tubes concentriques avec un jeu annulaire entre 5 et 10mm au rayon ou supérieur, typiquement jusqu’à 80 mm ; Pas de retreint lors de la prise ; Resistance au vieillissement en milieu marin à une pression de 100 bars, voir jusqu’à 220.10 5 Pa, et avec une température de 140°C voir jusqu’à 180°C. Module d’élasticité en compression : entre 20 000 MPa et 35 000 MPa ; Module d’élasticité en flexion : entre 6 000 et 15 000 MPa ; Résistance à une sollicitation mécanique cyclique : pas de dégradation du mortier entre 2 tubes quand les tubes sont sollicités de manière cyclique pour un très grand nombre de cycle, par flexion par exemple. Les diamètres typiques des canalisations à double enveloppe sont de 170mm et de 220mm, respectivement pour le tube intérieur 2a ou 2b et le tube extérieur4a ou 4b pour les plus petites, et vont jusqu’à 400mm et 500mm, respectivement pour le tube intérieur 2a ou 2b et le tube extérieur 4a ou 4b, pour les plus grandes tailles installées. Les diamètres des tubes du manchon 7 à double enveloppe sont supérieurs au diamètre du tube extérieur 4a et 4b de la canalisation pour permettre son insertion par-dessus la soudure. Le jeu typique entre le tube extérieur de la canalisation et le tube intérieur du manchon est compris entre 5mm à 15mm dans les parties fines et le jeu typique entre le tube intérieur de la canalisation et le tube intérieur du manchon est compris entre 25mm à 80 mm dans la partie centrale. C’est cette espace que l’on remplit par le mortier selon l’invention. L’avantage de ce mortier est sa résistance au vieillissement à des températures pouvant aller jusqu’à 180°C et son temps de prise inférieur à 10 mn qui le rend compatible pour une application comme matériau de remplissage duraccord 7 de canalisations offshore lors de la pose de ces canalisations sur des barges offshore et pour des températures d’application jusqu’à 180°C. Un autre avantage de ce mortier est qu’il peut être utilisé pour les modes d’installation de canalisations dits en « S » ou en « J » avec une opération unique de coulée ou d’injection pour remplir l’espace entre le manchon et la canalisation au niveau de la jonction et une fois le manchon mis en place par-dessus la soudure des deux sections de canalisations. Un autre avantage de ce mortier est qu’il ne présente pas de retreint lors de la prise entre 2 tubes concentriques et avec des jeux de l’ordre de 5mm à 15mm dans les ailettes ou de 25mm à 80mm en partie centrale de la jonction. Un autre avantage de cette configuration de jonction est l’efficacité mécanique améliorée de la jonction des deux sections à double enveloppe et du manchon. En effet, les propriétés mécaniques d’un tel mortier sont supérieures à celles d’autres matériaux durcissables utilisés tel que la résine polyuréthane ou un Di-PolyCycloPentadiène (DPCD). Le module d’élasticité en compression de ce mortier est de l’ordre de 28 000 MPa alors qu’il est de l’ordre de 2 000 MPa pour la résine polyuréthane ou le DPCD à température ambiante. Le module d’élasticité élevé du mortier permet une meilleure transmission des efforts mécaniques entre la canalisation et le manchon au niveau de la jonction. A dimensions identiques, la jonction utilisant ce mortier comme matériau de remplissage 8 aura donc une meilleure rigidité en flexion que la même jonction utilisant comme matériau de remplissage une résine ou un DPCD. Dans cette configuration, la meilleure transmission des efforts mécaniques entre la canalisation et le manchon permet la diminution des contraintes mécaniques dans la section à simple enveloppe de la canalisation ce qui augmente sa résistance en flexion et sa durée de vie en fatigue. Un autre avantage de cette configuration est que le module d’élasticité en compression du mortier reste relativement constant dans la plage de température de cette application alors que ce module diminue quand la température augmente pour une résine polyuréthane ou un matériau DPCD. L’efficacité mécanique de la jonction est donc relativement constante dans la plage de température de cette application. Un autre avantage de cette configuration est que grâce au meilleur module d’élasticité en compression du mortier par rapport à la résine PU par exemple, la géométrie du manchon à double enveloppe (diamètre et épaisseur des tubes, longueur) peut être optimisée. En effet, la rigidité en flexion du raccord dépend principalement de la longueur du manchon 7, de la rigidité en flexion du manchon 7 et du module d’élasticité en compression du matériau de remplissage 8. Etant donné que le mortier a un module d’élasticité en compression plus que 10 fois supérieur à celui d’une résine PU ou un DPCD, le manchon 7 peut être sélectionné plus court et/ou avec une rigidité en flexion plus faible (= épaisseurs des tubes plus faibles) tout en garantissant la même rigidité en flexion de la jonction. Le manchon 7 à double enveloppe et isolé thermiquement ayant également un rôle de diminution des pertes thermique au niveau de la section à simple enveloppe de la canalisation, un équilibre sur la géométrie du manchon sera à trouver pour garantir à la fois une rigidité en flexion et une performance thermique de la jonction adéquate avec le cahier des charges de la canalisation. Un autre avantage de ce matériau de remplissage 8 est que le mortier est un matériau avec un coefficient de dilatation thermique de l’ordre de 12.10 -6 m/(m.K). Cette valeur de coefficient de dilatation thermique est similaire au coefficient de dilatation thermique des aciers utilisés pour les canalisations et le manchon à double enveloppe. Ceci permet de limiter les contraintes thermiques en opération entre les tubes en acier et le matériau de remplissage de la jonction. En effet, en opération le tube intérieur de la canalisation sera à une température de 100°C voir jusqu’à 180°C, la température moyenne de la jonction va augmenter et des contraintes thermiques peuvent apparaitre dues aux différences de dilatation thermique entre les aciers des canalisations et le matériau de remplissage. Ceci ne sera pas le cas dans cette configuration avec le mortier. Un autre avantage de cette configuration est que le tube intérieur du manchon peut être déformé de quelques millimètres (de 2 à 10mm par exemple) vers l’intérieur en un ou plusieurs endroits sur sa longueur pour permettre d’améliorer la résistance au glissement du manchon par empêchement géométrique. Raccord (3) de canalisation pour pipeline à double enveloppe constitué d’un ensemble de sections (1, 2) comportant chacune un tube intérieur (2a, 2b) et un tube extérieur (4a, 4b) soudé au niveau de ses extrémités sur le tube intérieur (2a, 2b), deux sections successives (1, 2) étant reliées entre elles par la soudure des tubes intérieurs respectifs (2a, 2b) délimitant un segment (5) de tube intérieur, caractérisé en ce qu’il est constitué par un manchon (7) disposé au droit du segment (5) et un matériau de remplissage (8) constitué par un mortier à prise rapide à base de ciment alumineux et de sable, ledit matériau de remplissage (8) étant disposé dans l’espace libre délimité par le manchon (7), ledit segment (5) et les tubes extérieurs (4a, 4b) des deux sections successives (1, 2). Raccord (3) de canalisation pour pipeline à double enveloppe selon la revendication 1, caractérisé en ce que le matériau de remplissage (8) présente la composition en masse suivante : 30 à 49% de ciment alumineux, 40 à 58% de sable diorite, 0,6 à 1% de super-plastifiant, 0,5 à 1% d’un accélérateur de prise, et l’ajustement à 100% étant réalisé avec l’eau. Raccord (3) de canalisation pour pipeline à double enveloppe selon la revendication 2, caractérisé en ce que le matériau de remplissage (8) présente la composition en masse suivante : 33% de ciment alumineux, 55% de sable diorite, 0,7% de super-plastifiant, 0,6% d’un accélérateur de prise, et l’ajustement à 100% étant réalisé avec l’eau. Raccord (3) de canalisation pour pipeline à double enveloppe selon la revendication 2, caractérisé en ce que le matériau de remplissage (8) présente la composition en masse suivante : 39% de ciment alumineux, 50% de sable diorite, 0,7% de super-plastifiant, 0,6% d’un accélérateur de prise, et l’ajustement à 100% étant réalisé avec l’eau. Raccord (3) de canalisation pour pipeline à double enveloppe selon la revendication 2, caractérisé en ce que le matériau de remplissage (8) présente la composition en masse suivante : 44% de ciment alumineux, 45% de sable diorite, 0,8 % de super-plastifiant, 0,6% d’un accélérateur de prise, et l’ajustement à 100% étant réalisé avec l’eau. Raccord (3) de canalisation pour pipeline à double enveloppe selon la revendication 2, caractérisé en ce que le matériau de remplissage (8) présente la composition en masse suivante : 47% de ciment alumineux, 41% de sable diorite, 1% de super-plastifiant, 0,9% d’un accélérateur de prise, et l’ajustement à 100% étant réalisé avec l’eau. Procédé de réalisation d’un raccord (3) selon l’une quelconque des revendications précédentes dans lequel on amène en concordance deux sections (1, 2) de pipeline double enveloppe, puis on soude les tubes intérieurs entre eux, caractérisé en ce qu’on place un manchon (7) au droit du segment (5) des tubes intérieurs (2a, 2b) et on injecte le matériau de remplissage (8) selon l’une quelconque des revendications précédentes.