CA2382306C - Tube en materiau composite comportant une carcasse interne - Google Patents
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Abstract
La présente invention concerne une structure d'un tube multicouche comportant au moins une couche en matériau composite (2-8) constitué de fibres de renfort enrobées dans une matrice en polymère, au moins une gaine d'étanchéité (1) en matériau polymère peu perméable. Le tube comporte en outre une carcasse métallique (9) interne à la gaine. - Dans une variante, la carcasse est en feuillard agrafé (10).
Description
TUBE EN MATERIAU COMPOSITE COMPORTANT UNE
CARCASSE INTERNE
La présente invention concerne une structure de conduite tubulaire en matériau composite destinée au transport de produits liquides ou gazeux, en particulier pour l'exploitation pétrolière en mer.
Les tubes en matériau composite sont habituellement constitués de couches de fibres parallèles entre elles, telles que des fibres de verre, des fibres de carbone, des fibres aramides, enrobées dans une matrice. Chacune des ces couches présente une épaisseur et un angle donnés avec l'axe du tube, de manière à satisfaire les critères de résistance mécanique aux efforts appliqués au tube. La matrice peut être une matrice thermodurcissable, par exemple une résine époxy. Cependant, la présente invention ne se limite pas à une matrice thermodurcissable, d'autres matières sont possibles sans sortir de la présente invention, par exemple des thermoplastiques.
On connaît les documents US-5110644, US-5499661, US-5091230 qui décrivent des tubes en matériau composite.
De tels tubes peuvent être utilisés en particulier dans les opérations de recherche et d'exploitation pétrolière en mer, par exemple comme colonne montante ou risers reliant le fond de la mer au support de surface pour transporter l'effluent produit.
Ces tubes composites peuvent notamment remplacer avantageusement entièrement ou partiellement les risers caténaires rigides en acier qui sont très lourds et dont les contraintes, notamment de flexion au pied, peuvent devenir très importantes et pénalisantes. Une
CARCASSE INTERNE
La présente invention concerne une structure de conduite tubulaire en matériau composite destinée au transport de produits liquides ou gazeux, en particulier pour l'exploitation pétrolière en mer.
Les tubes en matériau composite sont habituellement constitués de couches de fibres parallèles entre elles, telles que des fibres de verre, des fibres de carbone, des fibres aramides, enrobées dans une matrice. Chacune des ces couches présente une épaisseur et un angle donnés avec l'axe du tube, de manière à satisfaire les critères de résistance mécanique aux efforts appliqués au tube. La matrice peut être une matrice thermodurcissable, par exemple une résine époxy. Cependant, la présente invention ne se limite pas à une matrice thermodurcissable, d'autres matières sont possibles sans sortir de la présente invention, par exemple des thermoplastiques.
On connaît les documents US-5110644, US-5499661, US-5091230 qui décrivent des tubes en matériau composite.
De tels tubes peuvent être utilisés en particulier dans les opérations de recherche et d'exploitation pétrolière en mer, par exemple comme colonne montante ou risers reliant le fond de la mer au support de surface pour transporter l'effluent produit.
Ces tubes composites peuvent notamment remplacer avantageusement entièrement ou partiellement les risers caténaires rigides en acier qui sont très lourds et dont les contraintes, notamment de flexion au pied, peuvent devenir très importantes et pénalisantes. Une
2 solution consiste à utiliser des matériaux composites, nettement plus légers, plus souples et très résistants à la fatigue. L'invention ne se limite pas à ces risers, mais concerne aussi tous les tubes composites ayant une gaine d'étanchéité pouvant être soumis à
une pression externe.
Dans ces types de tubes, la fonction étanchéité aux fluides internes est à
l'évidence fondamentale, notamment pour la sécurité des opérations. Or, il est connu que ce type de matériau composite n'est pas considéré comme suffisamment étanche, au gaz, à
l'eau ou aux hydrocarbures et nécessite de mettre, au moins un tube interne ( liner ) spécifique pour assurer la tenue de l'étanchéité. Ce liner est généralement en matériaux organiques, 1o polymères de type polyamide, ou équivalent du point de vue de l'étanchéité
et du mode de mise en oeuvre.
Cette solution de liner en polymère présente l'avantage d'assurer l'étanchéité
aux fluides, une bonne résistance au vieillissement en milieu hydrocarbure, et est compatible avec les déformations du composite, contrairement à celle d'un liner métallique, par ][5 exemple sous la forme d'un tube continu métallique, cylindrique ou ondulé.
Elle présente par contre plusieurs inconvénients, il est notamment difficile de réaliser un collage parfait et durable de la couche de plastique avec les couches supérieures de composites en fibres enrobées d'une matrice. Egalement, la perméation des gaz, à travers la matière du liner interne, ou l'eau de mer sous pression à travers l'épaisseur des couches de composite, m risquent de produire une pression d'écrasement sur ce liner interne susceptible de l'effondrer.
une pression externe.
Dans ces types de tubes, la fonction étanchéité aux fluides internes est à
l'évidence fondamentale, notamment pour la sécurité des opérations. Or, il est connu que ce type de matériau composite n'est pas considéré comme suffisamment étanche, au gaz, à
l'eau ou aux hydrocarbures et nécessite de mettre, au moins un tube interne ( liner ) spécifique pour assurer la tenue de l'étanchéité. Ce liner est généralement en matériaux organiques, 1o polymères de type polyamide, ou équivalent du point de vue de l'étanchéité
et du mode de mise en oeuvre.
Cette solution de liner en polymère présente l'avantage d'assurer l'étanchéité
aux fluides, une bonne résistance au vieillissement en milieu hydrocarbure, et est compatible avec les déformations du composite, contrairement à celle d'un liner métallique, par ][5 exemple sous la forme d'un tube continu métallique, cylindrique ou ondulé.
Elle présente par contre plusieurs inconvénients, il est notamment difficile de réaliser un collage parfait et durable de la couche de plastique avec les couches supérieures de composites en fibres enrobées d'une matrice. Egalement, la perméation des gaz, à travers la matière du liner interne, ou l'eau de mer sous pression à travers l'épaisseur des couches de composite, m risquent de produire une pression d'écrasement sur ce liner interne susceptible de l'effondrer.
3 Ainsi, la présente invention concerne un tube multicouches comportant au moins une couche en matériau composite constitué de fibres de renfort enrobées dans une matrice, au moins une gaine d'étanchéité en matériau polymère destinée à l'amélioration de la tenue à l'étanchéité de ce tube. Le tube comporte en partie interne une carcasse métallique destinée à supporter la gaine vis à vis d'une éventuelle pression externe.
L'invention telle que revendiquée concerne plus particulièrement un tube multicouches comportant au moins une gaine d'étanchéité en matériau polymère peu perméable et au moins une couche en matériau composite constitué de fibres de renfort enrobées dans une matrice en polymère, ledit tube étant caractérisé en ce qu'il comporte en outre une carcasse métallique interne à ladite gaine et un tube métallique souple entourant ledit tube.
L'invention concerne également un tube multicouches comportant plusieurs gaines d'étanchéité en matériau polymère peu perméable et plusieurs couches en matériau composite constitué de fibres de renfort enrobées dans une matrice en polymère, les gaines d'étanchéité étant espacées par les couches de matériau composite, ledit tube étant caractérisé en ce qu'il comporte en outre une carcasse métallique interne à
une première gaine d'étanchéité.
L'invention concerne aussi l'application d'un tube multicouches tel que décrit ci-dessus à des risers de type caténaire.
L'invention concerne également l'application d'un tube multicouches tel que décrit ci-dessus à des lignes d'export.
Selon l'invention, la carcasse est un tube métallique souple, par exemple en feuillard agrafé, ou équivalent.
Dans une variante, le tube selon l'invention comporte sur sa surface extérieure un tube métallique souple, de préférence en feuillard agrafé, destiné à apporter une protection externe.
3a Le tube selon l'invention peut comporter plusieurs gaines d'étanchéité.
La présente invention peut s'appliquer à la constitution de risers de production de type caténaire ou tendu, de risers de forage, et même de ligne d'export reliant un support de production et une bouée de chargement.
La présente invention sera mieux comprise et ses avantages apparaîtront plus clairement à la lecture des exemples suivants, nullement limitatifs, illustrés par les figures ci-après annexées parmi lesquelles :
- la figure 1 illustre un exemple de structure selon l'invention, - les figures 2A, 2B, 2C et 2D illustrent des exemples de carcasse de tubes selon l'invention, - la figure 3 montre une variante selon l'invention.
- la figure 4 illustre diverses applications de la présente invention.
L'invention telle que revendiquée concerne plus particulièrement un tube multicouches comportant au moins une gaine d'étanchéité en matériau polymère peu perméable et au moins une couche en matériau composite constitué de fibres de renfort enrobées dans une matrice en polymère, ledit tube étant caractérisé en ce qu'il comporte en outre une carcasse métallique interne à ladite gaine et un tube métallique souple entourant ledit tube.
L'invention concerne également un tube multicouches comportant plusieurs gaines d'étanchéité en matériau polymère peu perméable et plusieurs couches en matériau composite constitué de fibres de renfort enrobées dans une matrice en polymère, les gaines d'étanchéité étant espacées par les couches de matériau composite, ledit tube étant caractérisé en ce qu'il comporte en outre une carcasse métallique interne à
une première gaine d'étanchéité.
L'invention concerne aussi l'application d'un tube multicouches tel que décrit ci-dessus à des risers de type caténaire.
L'invention concerne également l'application d'un tube multicouches tel que décrit ci-dessus à des lignes d'export.
Selon l'invention, la carcasse est un tube métallique souple, par exemple en feuillard agrafé, ou équivalent.
Dans une variante, le tube selon l'invention comporte sur sa surface extérieure un tube métallique souple, de préférence en feuillard agrafé, destiné à apporter une protection externe.
3a Le tube selon l'invention peut comporter plusieurs gaines d'étanchéité.
La présente invention peut s'appliquer à la constitution de risers de production de type caténaire ou tendu, de risers de forage, et même de ligne d'export reliant un support de production et une bouée de chargement.
La présente invention sera mieux comprise et ses avantages apparaîtront plus clairement à la lecture des exemples suivants, nullement limitatifs, illustrés par les figures ci-après annexées parmi lesquelles :
- la figure 1 illustre un exemple de structure selon l'invention, - les figures 2A, 2B, 2C et 2D illustrent des exemples de carcasse de tubes selon l'invention, - la figure 3 montre une variante selon l'invention.
- la figure 4 illustre diverses applications de la présente invention.
4 La figure 1 référence de 1 à 9 un ensemble de couches formant un tube selon l'invention. La référence 1 désigne la couche d'étanchéité en matériau plastique : polymère thermoplastique ou élastomère. Les références 2 à 8 désignent des couches dont chacune comporte des fibres disposées sous des angles égaux ou symétriques par rapport à l'axe du tube et noyées dans une matrice. Cette matrice adhère aux fibres. Certaines de ces couches peuvent être adaptées à résister plus particulièrement à la pression régnant à
l'intérieur du tube ou pression interne, et d'autres plus particulièrement à la traction. Les couches résistant à la pression comportent alors des groupes de fibres enroulées sous un angle élevé
par rapport à l'axe du tube (par exemple 2, 4, 6 et 8), alors que les couches résistant à la traction comportent des fibres enroulées sous un angle faible par rapport à
l'axe du tube (par exemple 3, 5, 7). Selon l'invention la gaine d'étanchéité 1 est mise en oeuvre sur une carcasse métallique 9. Ainsi, la gaine 1 est maintenue par la carcasse pour résister à la pression externe. La pression externe qui peut s'appliquer sur la gaine peut provenir du fluide externe qui passe à travers les couches de composite non imperméable, par exemple :l5 à cause de fissuration de la matrice, ou du gaz qui a traversé la gaine par perméabilité et qui reste piégé par les autres couches supérieures.
La structure souple du tube métallique constituant la carcasse est telle qu'elle suivra sans contrainte pénalisante les déformations longitudinales de traction et de flexion du tube composite qui sont largement supérieures à celles de l'acier. En ce qui concerne les efforts zo de pression interne, elle ne subit pas de déformation circonférentielle, car elle reste équilibrée en pression puisque non étanche aux liquides ou au gaz.
De plus, cette structure interne protège mécaniquement la gaine d'étanchéité
des usures et destruction qui peuvent être provoquées par le passage d'outil dans l'espace intérieur du tube.
Enfin, dans le cas, nullement limitatif, des risers caténaires en matériau composite,
l'intérieur du tube ou pression interne, et d'autres plus particulièrement à la traction. Les couches résistant à la pression comportent alors des groupes de fibres enroulées sous un angle élevé
par rapport à l'axe du tube (par exemple 2, 4, 6 et 8), alors que les couches résistant à la traction comportent des fibres enroulées sous un angle faible par rapport à
l'axe du tube (par exemple 3, 5, 7). Selon l'invention la gaine d'étanchéité 1 est mise en oeuvre sur une carcasse métallique 9. Ainsi, la gaine 1 est maintenue par la carcasse pour résister à la pression externe. La pression externe qui peut s'appliquer sur la gaine peut provenir du fluide externe qui passe à travers les couches de composite non imperméable, par exemple :l5 à cause de fissuration de la matrice, ou du gaz qui a traversé la gaine par perméabilité et qui reste piégé par les autres couches supérieures.
La structure souple du tube métallique constituant la carcasse est telle qu'elle suivra sans contrainte pénalisante les déformations longitudinales de traction et de flexion du tube composite qui sont largement supérieures à celles de l'acier. En ce qui concerne les efforts zo de pression interne, elle ne subit pas de déformation circonférentielle, car elle reste équilibrée en pression puisque non étanche aux liquides ou au gaz.
De plus, cette structure interne protège mécaniquement la gaine d'étanchéité
des usures et destruction qui peuvent être provoquées par le passage d'outil dans l'espace intérieur du tube.
Enfin, dans le cas, nullement limitatif, des risers caténaires en matériau composite,
5 ceux-ci sont pénalisés, en particulier dans le cas d'exploitation de gaz, par leur trop faible poids. La carcasse métallique selon l'invention joue également le rôle d'un lest.
Les figures 2A-D illustrent des types de carcasses métalliques souples :
- la figure 2A représente une carcasse en feuillard agrafé ;
- la figure 2B représente une carcasse en Zéta autoagrafé ;
- la figure 2C représente une carcasse en T agrafé par une agrafe en U, ou en T
(non représenté) ;
- la figure 2D représente une carcasse en C (ou U).
Les structures représentées ne sont pas plus détaillées ici, car connues en tant que telles de l'homme du métier de la production des hydrocarbures. Ces structures de tubes métalliques souples sont réalisées par des fils agrafés ou auto agrafés, mais elles peuvent aussi être réalisées par des anneaux de section adéquate agrafés les uns aux autres.
L'exemple de la figure 2A est préféré car il correspond actuellement à un bon rapport qualité/coût.
La figure 3 illustre des variantes de tube composite selon l'invention. La référence 10 désigne une carcasse métallique sur laquelle une gaine d'étanchéité 15 est posée, par exemple par extrusion. Sur ce noyau, plusieurs couches (11, 13) de composite en fibres enrobées sont déposées par enroulement filamentaire. Pour protéger d'agressions
Les figures 2A-D illustrent des types de carcasses métalliques souples :
- la figure 2A représente une carcasse en feuillard agrafé ;
- la figure 2B représente une carcasse en Zéta autoagrafé ;
- la figure 2C représente une carcasse en T agrafé par une agrafe en U, ou en T
(non représenté) ;
- la figure 2D représente une carcasse en C (ou U).
Les structures représentées ne sont pas plus détaillées ici, car connues en tant que telles de l'homme du métier de la production des hydrocarbures. Ces structures de tubes métalliques souples sont réalisées par des fils agrafés ou auto agrafés, mais elles peuvent aussi être réalisées par des anneaux de section adéquate agrafés les uns aux autres.
L'exemple de la figure 2A est préféré car il correspond actuellement à un bon rapport qualité/coût.
La figure 3 illustre des variantes de tube composite selon l'invention. La référence 10 désigne une carcasse métallique sur laquelle une gaine d'étanchéité 15 est posée, par exemple par extrusion. Sur ce noyau, plusieurs couches (11, 13) de composite en fibres enrobées sont déposées par enroulement filamentaire. Pour protéger d'agressions
6 mécaniques externes, une couche métallique en feuillard 14 peut entourer l'ensemble du tube. En variante, une autre gaine d'étanchéité en matériau polymère 12 peut être intercalée entre des couches de fibres de renfort afin de renforcer ou compléter la fonction d'étanchéité.
La figure 4 montre différentes applications possibles des tubes composites selon l'invention. La référence 21 désigne un riser de production caténaire.
La référence 22 désigne l'ensemble de risers de production d'une plate-forme de production du type TLP. La référence 23 désigne une ligne d'export de l'effluent produit, par exemple par la TLP, vers le moyen de chargement. La référence 24 désigne un riser de forage. Ces différentes conduites référencées peuvent être constituées d'au moins une longueur, plus ou moins grande, d'un tube selon la présente invention.
La figure 4 montre différentes applications possibles des tubes composites selon l'invention. La référence 21 désigne un riser de production caténaire.
La référence 22 désigne l'ensemble de risers de production d'une plate-forme de production du type TLP. La référence 23 désigne une ligne d'export de l'effluent produit, par exemple par la TLP, vers le moyen de chargement. La référence 24 désigne un riser de forage. Ces différentes conduites référencées peuvent être constituées d'au moins une longueur, plus ou moins grande, d'un tube selon la présente invention.
Claims (6)
1. Tube multicouches comportant au moins une gaine d'étanchéité en matériau polymère peu perméable et au moins une couche en matériau composite constitué
de fibres de renfort enrobées dans une matrice en polymère, ledit tube étant caractérisé en ce qu'il comporte en outre une carcasse métallique (9) interne à ladite gaine (1) et un tube métallique souple (14) entourant ledit tube.
de fibres de renfort enrobées dans une matrice en polymère, ledit tube étant caractérisé en ce qu'il comporte en outre une carcasse métallique (9) interne à ladite gaine (1) et un tube métallique souple (14) entourant ledit tube.
2. Tube multicouches comportant plusieurs gaines d'étanchéité en matériau polymère peu perméable et plusieurs couches en matériau composite constitué de fibres de renfort enrobées dans une matrice en polymère, les gaines d'étanchéité
étant espacées par les couches de matériau composite, ledit tube étant caractérisé
en ce qu'il comporte en outre une carcasse métallique (9) interne à une première gaine d'étanchéité (1).
étant espacées par les couches de matériau composite, ledit tube étant caractérisé
en ce qu'il comporte en outre une carcasse métallique (9) interne à une première gaine d'étanchéité (1).
3. Tube selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comporte en outre un tube métallique souple (14) entourant ledit tube.
4. Tube selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel ladite carcasse est constituée par un feuillard agrafé (10).
5. Application du tube selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, à des risers de type caténaire (21).
6. Application du tube selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, à des lignes d'export (23).
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