Brevet FR3130350A1 — publié le 20230616

L’invention concerne un composant tubulaire (2,3) pour joint fileté tubulaire (1), qui comporte au moins un élément de connexion (5, 6) et formant une portion d’extrémité du composant tubulaire (2,3), l’élément de connexion (5, 6) fileté comportant un filetage (7) hélicoïdal réalisé dans un premier sens (S1) autour de l’axe de révolution (X), dans lequel le composant tubulaire (2,3) est réalisé dans un matériau composite composé de fibres et d’une résine, dans lequel au niveau de l’élément de connexion (5, 6) fileté, la couche de fibres au moins un fil de fibres enroulé de manière hélicoïdale dans le sens de bobinage (S1) autour de l’axe de révolution (X) selon un pas de bobinage, dans lequel le pas de vis est égal au pas de bobinage, avec : le pas de vis : une distance selon l’axe de révolution (X) entre deux filets adjacents du filetage (7) ; le pas de bobinage : une distance selon l’axe de révolution (X) entre deux spires adjacentes. Figure pour l’abrégé : Fig. 1 Composant tubulaire comportant un élément de connexion fileté L’invention se rapporte au domaine des composants tubulaires et notamment des composants tubulaires destinés à être assemblés les uns aux autres pour être descendus dans les puits de gaz ou de pétrole pour constituer une garniture de forage, une colonne de tube de cuvelage ou de tubage ou encore une colonne de tube de production. Un composant tubulaire est destiné à être assemblé par un ou plusieurs éléments de connexion à un autre composant tubulaire pour constituer avec cet autre composant tubulaire un joint fileté tubulaire. Le composant tubulaire peut être par exemple un tube de grande dimension (par exemple d’environ dix mètres de longueur), un manchon tubulaire (par exemple de quelques dizaines de centimètres de longueur), ou un accessoire de ces tubes (dispositif de suspension, pièce de changement de section, vanne de sécurité, connecteur pour tige de forage, etc.). Arrière-plan technologique Il est connu du document EP2463084 des composants tubulaires réalisés en matériau composite comportant des raccords d’extrémité permettant de raccorder des composants tubulaires entre eux. Les composants tubulaires composites peuvent être créés par diverses méthodes de fabrication, et notamment une technique connue sous le nom d'enroulement filamentaire. Dans l'enroulement filamentaire, les fibres et la résine se présentent sous la forme d’un fil de matériau composite, aussi appelée la fibre, qui est enroulé en hélice autour d'un mandrin, et le composant tubulaire composite résulte de la couverture du mandrin par le matériau composite formé par le fil composé du mélange des fibres et de la résine. Par rapport aux composants tubulaires en métal tel que l'acier, les composants tubulaires composites sont considérablement plus légers. En outre, les composants tubulaires composites ne se corrodent pas ce qui est avantageux par exemple dans les applications sous-marines. Un inconvénient des composants tubulaires composites par rapport aux composants tubulaires conventionnels en métal est que l'introduction de contraintes dans les extrémités des composants tubulaires composites peut être problématique, en particulier lorsque la contrainte est élevée. Idéalement, la connexion aux extrémités du composant tubulaire composite devrait être au moins aussi solide que le corps du composant tubulaire. Il est connu d’usiner les extrémités des composants tubulaires afin de former des filetages permettant de raccorder les composants tubulaires les uns aux autres. Toutefois, les raccords filetés dans le matériau composite ne conviennent pas aux applications impliquant des charges élevées, car l’usinage des filetages conduit à couper le fil de fibres, ce qui réduit considérablement la résistance structurelle du matériau composite dans la zone du filetage. En effet, si la fibre est coupée lors de l’usinage, la résistance du composant tubulaire est déterminée par la résistance de la matrice. La résistance R du composant tubulaire réalisé dans un tel matériau composite au niveau du filetage peut s’écrire : R = Rmatrice x (1-Pctfibre) + Rfibre x Pctfibre Rmatrice étant la résistance de la matrice, Rfibre étant la résistance de la fibre et « Pctfibre » étant le pourcentage de fibres dans le matériau composite. Or dans le cas de fibres coupées, le pourcentage de fibres contribuant à la résistance du composant tubulaire devient particulièrement faible. La contrainte admissible étant largement supérieure si on a maximisé la contribution des fibres, de l’ordre de trente à quarante fois supérieure à la résistance de la matrice seule, il ressort que la coupure des fibres au niveau de l’usinage réduit fortement la résistance du composant tubulaire au niveau des filetages. Dès lors, le document EP2463084 prévoit d’utiliser des raccords filetés métalliques assemblés aux extrémités du composant tubulaire composite par recouvrement avec des couches de matériau composite. Toutefois, un tel assemblage est complexe et rend le composant tubulaire fragile notamment à l’interface composite/métal. Résumé Une idée à la base de l’invention est de simplifier la réalisation d’un composant tubulaire composite. Une autre idée à la base de l’invention est de renforcer les extrémités du composant tubulaire pour résister à des charges ou pressions élevées. Selon un mode de réalisation, l’invention fournit un composant tubulaire pour joint fileté tubulaire, dans lequel le composant tubulaire s’étend selon un axe de révolution et comporte un corps principal et au moins un élément de connexion fileté s’étendant depuis le corps principal et formant une portion d’extrémité du composant tubulaire, l’élément de connexion fileté comportant un filetage hélicoïdal réalisé dans un sens de bobinage autour de l’axe de révolution, le filetage étant réalisé selon un pas de vis, dans lequel le composant tubulaire est réalisé dans un matériau composite composé de fibres et d’une résine, le composant tubulaire comportant un enrobage hélicoïdal de matériau composite formant au moins une couche de fibres, dans lequel au niveau de l’élément de connexion fileté, la au moins une couche de fibres comporte au moins un fil de fibres enroulé de manière hélicoïdale dans le sens de bobinage autour de l’axe de révolution et selon un pas de bobinage de sorte à former une pluralité de spires, dans lequel le pas de vis est égal au pas de bobinage, avec : le pas de vis : une distance selon l’axe de révolution entre deux filets adjacents du filetage ; et le pas de bobinage : une distance selon l’axe de révolution entre deux spires adjacentes. Grâce à ces caractéristiques, le filetage est ainsi réalisé directement dans le matériau composite de sorte à rendre la réalisation du composant tubulaire composite plus simple comparativement à l’art antérieur. De plus, le pas de vis étant égal à celui du bobinage des fibres, il est possible de s’assurer qu’au moins certaines des fibres de la couche de fibres précitée soient présentes dans les filets du filetage et ne soient ainsi pas coupées lors de l’usinage des filets. Dès lors, en limitant la coupe des fibres lors de l’usinage des filets, il est possible de conserver une résistance importante sur toute la longueur du composant tubulaire y compris au niveau de l’élément de connexion fileté. Selon un mode de réalisation, l’invention fournit un composant tubulaire pour joint fileté tubulaire, dans lequel le composant tubulaire s’étend selon un axe de révolution et comporte un corps principal et au moins un élément de connexion fileté s’étendant depuis le corps principal et formant une portion d’extrémité du composant tubulaire, l’élément de connexion fileté comportant un filetage hélicoïdal, dans lequel le composant tubulaire est réalisé dans un matériau composite composé de fibres et d’une résine, le matériau composite comportant au moins deux couches de fibres, dans lequel le composant tubulaire comporte un insert métallique tubulaire situé entre lesdites au moins deux couches de fibres au moins au niveau de l’élément de connexion fileté. Grâce à ces caractéristiques, l’insert métallique permet d’améliorer la résistance, notamment à la pression, et la rigidité du composant tubulaire au niveau du filetage réalisé sur l’élément de connexion fileté De plus, cela permet conserver une étanchéité suffisante lors de l’assemblage de deux composants tubulaires. En effet, les composants tubulaires sont amenés à former entre eux des joints tubulaires filetés qui doivent être étanches. Ainsi, les filetages jouent un rôle prépondérant dans l’étanchéité de la connexion entre deux composants tubulaires et la pression de contact entre le filetage mâle et le filetage femelle doit être suffisante. Le terme "matériau composite " désigne un matériau réalisé par la combinaison d'une matrice et de fibres de renforcement s'étendant dans la matrice. Ce terme inclut tout matériau plastique renforcé par des fibres. La matrice peut être réalisé par tout matériau liant approprié, y compris des résines thermodurcissables telles que des résines époxy ou polyester, ou encore certaines matières thermoplastiques. Les fibres de renforcement peuvent comprendre un ou plusieurs éléments parmi, par exemple, les fibres de verre, les fibres de carbone, les fibres de bore, les fibres de polyéthylène, les fibres de polypropylène, les fibres de polyamide, les fibres d’alumine et d'autres fibres synthétiques et organiques. Un tel matériau composite se présente sous la forme d’une bobine de matériau composite comportant un fil de fibres continu imprégné de résine. Ce fil de fibres continu est par exemple réalisé par tressage, filage, tissage ou tout autre méthode permettant d’obtenir une bobine de fibres pouvant être imprégnée de résine. De telles bobines peuvent également être formée à partir de fibres pré-imprégnées. Selon des modes de réalisation, un tel composant tubulaire peut comporter une ou plusieurs des caractéristiques suivantes. Selon un mode de réalisation, la ou chaque couche de fibres comporte une pluralité de fils de fibres adjacents les uns des autres et enroulés de manière hélicoïdale. Selon un mode de réalisation, la au moins une couche de fibres est une première couche de fibres, le matériau composite comportant une deuxième couche de fibres superposée à la première couche de fibres, et au niveau de l’élément de connexion fileté, la deuxième couche de fibres comporte au moins un fil de fibres enroulé de manière hélicoïdale dans le sens de bobinage autour de l’axe de révolution selon le pas de bobinage de sorte à former une pluralité de spires dans une dimension axiale du composant tubulaire. Selon un mode de réalisation, l’enrobage hélicoïdal comporte une alternance de premières couches de fibres et de deuxièmes couches de fibres. Selon un mode de réalisation, le pas de bobinage est un premier pas de bobinage, et au niveau du corps principal, la au moins une couche de fibres est enroulée de manière hélicoïdale dans le sens de bobinage autour de l’axe de révolution selon un deuxième pas de bobinage, le deuxième pas de bobinage étant supérieur au premier pas de bobinage. Ainsi, l’enroulement des fibres est réalisé selon un pas de bobinage égal au pas de vis uniquement dans la zone où seront réalisés les filets du filetage. Selon un mode de réalisation, le sens de bobinage est un premier sens de bobinage, la au moins une couche de fibres est une première couche de fibres et le pas de bobinage est un premier pas de bobinage, le matériau composite comportant une deuxième couche de fibres, la deuxième couche de fibres comportant au moins un fil de fibres enroulé de manière hélicoïdale dans un deuxième sens de bobinage autour de l’axe de révolution de sorte à former une pluralité de spires dans une dimension axiale du composant tubulaire. Selon un mode de réalisation, le deuxième sens de bobinage est opposé au premier sens de bobinage. En effet, la méthode de fabrication par enroulement filamentaire peut être réalisée avec une machine permettant d’enrouler deux couches successives l’une dans un sens puis l’autre dans le sens opposé. Ainsi, il apparait avantageux que seules les couches de fibres enroulées dans le même sens que le pas de vis du filetage présentent un pas de bobinage égal au pas de vis. Cela permet d’optimiser le temps et le coût de fabrication tout en conservant un élément de connexion fileté dont les filets présentent des fibres non sectionnées. Selon un mode de réalisation, le deuxième sens de bobinage est identique au premier sens de bobinage. Selon un mode de réalisation, l'au moins un fil de fibres de la deuxième couche de fibres est enroulé de manière hélicoïdale selon le deuxième sens de bobinage autour de l’axe de révolution selon un troisième pas de bobinage. Selon un mode de réalisation, le troisième pas de bobinage de la deuxième couche de fibres est supérieur au premier pas de bobinage de la première couche de fibres. Selon un mode de réalisation, le troisième pas de bobinage de la deuxième couche est égal, en valeur absolue, au premier pas de bobinage de la première couche. Selon un mode de réalisation, le troisième pas de bobinage de la deuxième couche est égal au deuxième pas de bobinage de la première couche. Selon un mode de réalisation, le matériau composite comporte une pluralité de premières couches de fibres et une pluralité de deuxièmes couches de fibres, les premières couches de fibres étant alternées avec les deuxièmes couches de fibres. Selon un mode de réalisation, le matériau composite comporte une pluralité de couches de fibres, et le composant tubulaire comporte un insert métallique, de préférence tubulaire, situé entre les couches de fibres au moins au niveau de l’élément de connexion fileté. Ainsi, l’insert métallique permet d’améliorer la résistance, notamment à la pression, et la rigidité du composant tubulaire au niveau du filetage réalisé sur l’élément de connexion fileté. Selon un mode de réalisation, l’insert métallique est réalisé dans un métal dont le module d’Young (par exemple entre 180 et 220 Gpa) est supérieur au module d’Young du matériau composite (par exemple entre 20 et 150 Gpa). Selon un mode de réalisation, l’insert métallique présente une dimension selon l’axe de révolution supérieure à une dimension du filetage selon l’axe de révolution. Ainsi, la transition entre une zone du composant tubulaire avec insert et une zone sans insert n’est pas située au droit du filetage. Selon un mode de réalisation, l’insert métallique peut être réalisé en acier. Selon un mode de réalisation, le filetage est réalisé sur une surface externe du composant tubulaire ou sur une surface interne du composant tubulaire. Selon un mode de réalisation, l’invention fournit aussi un joint fileté tubulaire comprenant un premier composant tubulaire équipé d’un premier élément de connexion fileté et un deuxième composant tubulaire équipé d’un deuxième élément de connexion fileté, le deuxième élément de connexion fileté étant vissé avec le premier élément de connexion fileté, au moins un des premier composant tubulaire et deuxième composant tubulaire étant réalisé comme précité. Selon un mode de réalisation, le premier composant tubulaire et le deuxième composant tubulaire sont réalisés comme précités. Selon un mode de réalisation, l’invention fournit aussi un procédé de fabrication d’un composant tubulaire comportant les étapes suivantes : - mettre en forme un composant tubulaire en matériau composite composé de fibres et de résine, ledit composant tubulaire s’étendant selon un axe de révolution, ladite mise en forme comportant une étape d’enroulage d’au moins un fil de fibres de manière hélicoïdale autour dudit axe de révolution dans un sens de bobinage, ledit fil de fibres étant enroulé dans une portion d’extrémité du composant tubulaire selon un pas de bobinage, l’au moins un fil de fibres formant une couche de fibres, - usiner la portion d’extrémité du composant tubulaire afin de former un filetage d’un élément de connexion réalisé dans le sens de bobinage autour de l’axe de révolution et selon un pas de vis égal au pas de bobinage, avec : le pas de vis : une distance selon l’axe de révolution entre deux filets adjacents du filetage ; et le pas de bobinage : une distance selon l’axe de révolution entre deux spires adjacentes. Selon un mode de réalisation, le pas de bobinage est un premier pas de bobinage, et lors de l’étape d’enroulage de la couche de fibres hors de la portion d’extrémité du composant tubulaire l’au moins un fil de fibres est enroulé selon un deuxième pas de bobinage. Selon un mode de réalisation, le deuxième pas de bobinage est supérieur au premier pas de bobinage. Selon un mode de réalisation, la couche de fibres est une première couche de fibres et le pas de bobinage est un premier pas de bobinage, et l’étape de mise en forme comporte l’étape d’enroulage de la première couche de fibres puis une nouvelle étape d’enroulage d’une deuxième couche de fibres de manière hélicoïdale autour dudit axe de révolution dans un deuxième sens, et la deuxième couche de fibres étant enroulée selon un troisième pas de bobinage, le deuxième sens étant opposé au premier sens. Selon un mode de réalisation, l’usinage du filetage est réalisé sur une surface externe du composant tubulaire ou sur une surface interne du composant tubulaire. Brève description des figures L’invention sera mieux comprise, et d'autres buts, détails, caractéristiques et avantages de celle-ci apparaîtront plus clairement au cours de la description suivante de plusieurs modes de réalisation particuliers de l’invention, donnés uniquement à titre illustratif et non limitatif, en référence aux dessins annexés. La représente une vue en coupe partielle d’un joint fileté tubulaire selon un mode de réalisation. La est une vue du détail II de la selon un mode de réalisation, des fibres ayant été représentées schématiquement. La est une vue schématique en coupe du matériau composite d’un élément de connexion avant usinage du filetage. La est une vue de côté schématique d’enroulage de fibres sur un mandrin pour la mise en forme d’un composant tubulaire en matériau composite, lors d’un procédé de fabrication par enroulage filamentaire. La est une vue schématique en coupe de deux composant tubulaires en matériau composite comportant chacun un élément de connexion fileté mâle et reliés entre eux par un composant tubulaire en matériau composite comportant deux éléments de connexion fileté femelle selon un mode de réalisation de l’invention. Composant tubulaire (2,3) pour joint fileté tubulaire (1), dans lequel le composant tubulaire (2,3) s’étend selon un axe de révolution (X) et comporte un corps principal (4) et au moins un élément de connexion (5, 6) fileté s’étendant depuis le corps principal (4) et formant une portion d’extrémité du composant tubulaire (2,3), l’élément de connexion (5, 6) fileté comportant un filetage (7) hélicoïdal réalisé dans un sens de bobinage (S1, S2) autour de l’axe de révolution (X), le filetage (7) étant réalisé selon un pas de vis (12), dans lequel le composant tubulaire (2,3) est réalisé dans un matériau composite composé de fibres et d’une résine, le composant tubulaire (2, 3) comportant un enrobage hélicoïdal de matériau composite formant au moins une couche de fibres (10, 11, 14), dans lequel au niveau de l’élément de connexion (5, 6) fileté, la au moins une couche de fibres (14) comporte au moins un fil de fibres (8) enroulé de manière hélicoïdale dans le sens de bobinage (S1, S2) autour de l’axe de révolution (X) et selon un pas de bobinage (15) de sorte à former une pluralité de spires, dans lequel le pas de vis (12) est égal au pas de bobinage (15), avec : le pas de vis : une distance selon l’axe de révolution (X) entre deux filets adjacents du filetage (7) ; et le pas de bobinage : une distance selon l’axe de révolution (X) entre deux spires adjacentes. Composant tubulaire (2,3) selon la revendication 1, dans lequel la au moins une couche de fibres (10, 11, 14) est une première couche de fibres (10, 11, 14), le matériau composite comportant une deuxième couche de fibres (10, 11, 14) superposée à la première couche de fibres (10, 11, 14), et au niveau de l’élément de connexion (5, 6) fileté, la deuxième couche de fibres (10, 11, 14) comportant au moins un fil de fibres (8) enroulé de manière hélicoïdale dans le sens de bobinage (S1, S2) autour de l’axe de révolution (X) selon le pas de bobinage (15) de sorte à former une pluralité de spires dans une dimension axiale du composant tubulaire (2,3). Composant tubulaire (2,3) selon la revendication 1, dans lequel le sens de bobinage est un premier sens de bobinage (S1), la au moins une couche de fibres (10, 14) est une première couche de fibres (10, 14) et le pas de bobinage est un premier pas de bobinage (15), le matériau composite comportant une deuxième couche de fibres (11, 14), et la deuxième couche de fibres (11, 14) comportant au moins un fil de fibres (8) enroulé de manière hélicoïdale dans un deuxième sens de bobinage (S2) autour de l’axe de révolution (X) de sorte à former une pluralité de spires dans une dimension axiale du composant tubulaire (2,3), le deuxième sens de bobinage (S2) étant opposé au premier sens de bobinage (S1). Composant tubulaire (2,3) selon la revendication 3, dans lequel l'au moins un fil de fibres (8) de la deuxième couche de fibres (11, 14) est enroulé de manière hélicoïdale selon le deuxième sens de bobinage (S2) autour de l’axe de révolution (X) selon un troisième pas de bobinage (18), le troisième pas de bobinage (18) de la deuxième couche de fibres (11) étant supérieur au premier pas de bobinage (15) de la première couche de fibres (10). Composant tubulaire (2,3) selon l’une des revendications 2 à 4, dans lequel le matériau composite comporte une pluralité de premières couches de fibres (10) et une pluralité de deuxièmes couches de fibres (11), les premières couches de fibres (10) étant alternées avec les deuxièmes couches de fibres (11). Composant tubulaire (2,3) selon l’une des revendications 1 à 5, dans lequel le matériau composite comporte une pluralité de couches de fibres (10, 11, 14), et dans lequel le composant tubulaire (2,3) comporte un insert métallique (19) situé entre les couches de fibres (10, 11, 14) au moins au niveau de l’élément de connexion (5, 6) fileté. Composant tubulaire (2,3) selon la revendication 6, dans lequel l’insert métallique (19) est réalisé dans un métal dont le module d’Young est supérieur au module d’Young du matériau composite. Composant tubulaire (2,3) selon la revendication 6 ou la revendication 7, dans lequel l’insert métallique (19) présente une dimension selon l’axe de révolution (X) supérieure à une dimension du filetage (7) selon l’axe de révolution (X). Composant tubulaire (2,3) selon l’une des revendications 1 à 8, dans lequel le pas de bobinage est un premier pas de bobinage (15), et au niveau du corps principal (4), la au moins une couche de fibres (10, 11) est enroulée de manière hélicoïdale dans le sens de bobinage (S1, S2) autour de l’axe de révolution (X) selon un deuxième pas de bobinage (17), le deuxième pas de bobinage (17) étant supérieur au premier pas de bobinage (15). Joint fileté tubulaire (1) comprenant un premier composant tubulaire (2,3) équipé d’un premier élément de connexion (5, 6) fileté et un deuxième composant tubulaire (2,3) équipé d’un deuxième élément de connexion (5, 6) fileté, le deuxième élément de connexion (5, 6) fileté étant vissé avec le premier élément de connexion (5, 6) fileté, au moins un des premier composant tubulaire (2,3) et deuxième composant tubulaire (2,3) étant réalisé selon l’une des revendications 1 à 9. Procédé de fabrication d’un composant tubulaire (2,3) comportant les étapes suivantes : - mettre en forme un composant tubulaire (2,3) en matériau composite composé de fibres et de résine, ledit composant tubulaire (2,3) s’étendant selon un axe de révolution (X), ladite mise en forme comportant une étape d’enroulage d’au moins un fil de fibres (8) de manière hélicoïdale autour dudit axe de révolution (X) dans un sens de bobinage (S1, S2), ledit fil de fibres (8) étant enroulé dans une portion d’extrémité du composant tubulaire (2,3) selon un pas de bobinage (15), l’au moins un fil de fibres (8) formant une couche de fibres (10, 11, 14), - usiner la portion d’extrémité du composant tubulaire (2,3) afin de former un filetage (7) d’un élément de connexion (5, 6) réalisé dans le sens de bobinage (S1, S2) autour de l’axe de révolution (X) et selon un pas de vis (12) égal au pas de bobinage (15), avec : le pas de vis : une distance selon l’axe de révolution (X) entre deux filets adjacents du filetage (7) ; et le pas de bobinage : une distance selon l’axe de révolution (X) entre deux spires adjacentes.