FR2520667A1 - Paroi souple et tube souple pour fluide a haute pression - Google Patents

Paroi souple et tube souple pour fluide a haute pression Download PDF

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Abstract

L'INVENTION CONCERNE DES PAROIS SOUPLES RESISTANT A LA PRESSION. ELLE SE RAPPORTE A UNE PAROI SOUPLE QUI COMPORTE ESSENTIELLEMENT UNE PREMIERE COUCHE 12 D'UNE MATIERE POLYMERE, PLACEE A PROXIMITE DU FLUIDE A CONTENIR, ET UNE SECONDE COUCHE 17 D'UNE MATIERE POLYMERE QUI A ETE REALISEE AVEC UN ADJUVANT QUI EST ENSUITE EXTRAIT AFIN QUE LA PERMEABILITE DE LA MATIERE DE LA SECONDE COUCHE SOIT NETTEMENT SUPERIEURE A CELLE DE LA PREMIERE COUCHE. DE CETTE MANIERE, LES GAZ QUI PEUVENT TRAVERSER LA PAROI NE PEUVENT PAS S'Y ACCUMULER ET S'ECHAPPENT A L'EXTERIEUR DE LA TUYAUTERIE. APPLICATION AUX TUYAUTERIES SOUPLES DE TRANSPORT DU PETROLE BRUT SOUS L'EAU.

Description

La présente invention concerne des parois soupies et en particulier des objets tels qu'une tuyauterie souple ou un diaphragme flexible dont une surface au moins est exposée, lors du fonctionnement, à des mélanges de gaz et d'une huile ou de pétrole, formant deux phases.
Un mélange à deux phases et en particulier le gaz qu'il contient a tendance à s'infiltrer dans la matière d'une paroi souple et à provoquer sa dégradation, surtout dans le cas des mélanges à deux phases qui sont à pression élevée et créent donc une pression différentielle élevée de part et d'autre de la paroi souple. Habituellement, la paroi souple a une construction stratifiée et comporte une structure enrobée d'armature, et dans ce cas, on constate que, en plus du risque d'infiltration du gaz pouvant dégrader l'armature, des soufflures ont tendance à se former entre les couches et parfois à l'intérieur de celles-ci, et ont tendance à provoquer une séparation progressive des couches. La durée utile de travail de l'objet est ainsi réduite.
On connaît déjà l'utilisation, ailleurs qu'à la surface au contact du mélange à deux phases, de matières ayant une perméabilité élevée, telles qu'un caoutchouc de silicone et des matières de perméabilité analogue afin que le risque d'accumulation indésirable du gaz dans la paroi souple soit minimal. Ainsi, le gaz qui peut s'inf il- trer à travers une couche superficielle de faible perméabilité placée au contact du mélange à deux phases est alors relativement libre de traverser la paroi sans risque important draccumulation et de formation en conséquence de soufflures.
Un inconvénient de l'utilisation d'un caoutchouc de silicone et d'un certain nombre de matières ayant une perméabilité analogue est qu'elles ne possèdent pas une résistance mécanique qui donne satisfaction pour le positionnement des éléments successifs d'une structure quelconque d'armature placée dans la masse de la paroi.Ainsi, bien que des matières telles que le caoutchouc de silicone convien nent à la formation d'une couche superficielle externe, distante de la surface qui est normalement au contact du mélange à deux phases, elles ne conviennent pas dans ~une région centrale d'armature de la paroi souple, car, dans cette région, les gaz ont tendance à s'accumuler et b provoquer en conséquence l'apparition de soufflures et une dégradation de la structure d'armature.Un autre inconvénient du caoutchouc de silicone, par rapport au néoprène par exemple, est qu'il est coûteux.
L'invention concerne la réalisation d'une paroi souple, par exemple une tuyauterie souple ou un diaphragme qui. lors du fonctionnement, peut contenir des gaz ou des fluides à deux phases avec une différence élevée de pressions, les inconvénients précités étant réduits ou supprimés.
Dans un mode de réalisation de l'invention, une paroi souple destinée à contenir un fluide sous pression comporte une première couche d'une matière polymère qui, lors de l'utilisation de la paroi, est disposée à proximit du fluide à contenir, et une seconde couche qui a été formée d'une matière polymère d'un type qui contient des additifs qui, lorsqu'ils sont extraits, pro voquent une augmentation importante de la perméabilité de la matière de la seconde couche par rapport à celle de la première couche.
L'invention concerne aussi une paroi souple dans laquelle l'additif a été extrait de manière que, dans la seconde couche de matière polymère, des formations'de trajets fibrillaires permettent un passage relativement facile du gaz par rapport à la première couche.
La première couche peut être directement au contact du fluide à contenir mais aussi à proximité de celui-ci sans être directement à son contact.
L'expression "formations de trajets fibrillaires est utilisée dans le présent mémoire pour désigner à la fois une formation séparée de configuration allongée, et une série de formations dont chacune n'est pas obli gatoirement allongée ou directement en communication avec une autre formation mais qui, ensemble, forment un trajet de faible perméabilité à travers la seconde couche.
Les formations de trajets fibrillaires sont de préférence formées par utilisation, pour la seconde couche, d'une matière polymère d'un type qui contient des additifs qui sont extraits de la matière après la mise de celle-ci à la forme qu'elle prend normalement dans l'objet terminé.
La paroi souple peut avoir une structure armée, l'armature étant de préférence enrobée dans la seconde couche de matière polymère.
La perméabilité de la matière de la seconde couche avant la formation des trajets fibrillaires, peut être supérieure à celle de la matière de la première couche, la formation des trajets fibrillaires augmentant ainsi l'écart entre la perméabilité de la seconde couche et celle de la première. Dans une variante cependant, la seconde couche peut être formée d'une matière qui, avant la création des trajets fibrillaires, a une perméabilité inférieure ou égale à celle de la première couche.
L'additif peut être retiré de la matière polymère par lessivage, afin que les formations de trajets fibrillaires soient constituées soit au cours du procédé de fabrication de la paroi souple soit dans une installation utilisée ultérieurement soit pendant l'utilisation de la paroi.
Ainsi, les parois souples d'um type qui doit être utilisé sous l'eau, peuvent contenir un additif hydror soluble si bien que les formations de trajets fibrillaires se constituent pendant la mise en place ou l'utilisation et non pen#dant les opérations antérieures de fabrications.
Des additifs particulièrnent avantageux pour la matière polymère de la seconde couche sont les oxydes de polyéthylène tels que "Polyox NSR 30" et "PEG 6000'w, et l'alcool polyvinylique de poids moléculaire égal à 14 000 (PVA 14000) (disponibles auprès de B.D.H. Chemical
Limited) ces matières étant hydrosolubles.
Les additifs précités conviennent particulièrement bien aux matières polymères telles que le néoprène, le -caoutchouc nitrile, le caoutchouc de butadiène-styrène et le caoutchouc naturel.
Les additifs peuvent être solubles au contact di fluide contenu vis-à-vis duquel il est souhaitable gwe la seconde couche présente une perméabilité relativement faible, si bien que l'additif est retiré par les singe de la paroi souple par le fluide contenu. Cepen dalot, il est en général préférable que les trajets fi brinlaires ne soient pas formés dans la matière de la seconde couche par le fluide contenu, à cause du risque d'aczamulation de fluide et de formation de soufflures pendimt le temps nécessaire à la création des trajets fibriiliaires.
L'invention convient particulièresient bien à une tuyauterie souple destinée à former une canalisation à haute pression utilisée pour le transport du pétrole brut chaud, par exemple entre le fond le mer et la surface ou à un autre poste à distance. Dans ce cas ainsi que dans les applications sous-marines, la matière polymère de la seconde couche peut être rendue avantageusement relativement persdable, lorsqu'elle se trouve en place, par retrait des additifs de la matière polymère par l'eau de mer
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront mieux de la description qui va suivre, faite en référence au dessin annexé sur lequel
la figure 1 est une élévation avec des parties arrachées progressivement, représentant les couches successives d'une tuyauterie ; et
la figure 2 est une coupe détaillée d'une partie de la tuyauterie de la figure 1.
La tuyauterie représentée est une tuyauterie souple à haute pression ayant un diamètre interne de 76 mm, destinée au transport du pétrole brut.
La tuyauterie comporte une couche interne de revêtement 10 qui résiste à l'écrasement et qui est formée d'une hélice à double spire d'un fil d'acier inoxydable de type "31Si', les fils utilisés ayant une section sensiblement trapézoîdale et étant disposés de manière que les surfaces en contact des fils des spires successives des hélices aient une forme sensiblement tronconique, leurs dimensions diminuant progressivement en sens opposés, par rapport à la longueur de la tuyauterie.
Une couche interne de revêtement de ce type est décrite plus en détail dans la demande publiée de brevet britannique n0 2 002 084.
La couche 10 non seulement résiste aux charges d'écrasement mais encore constitue un revêtement résistant à l'abrasion qui permet le passage d'outils dans la tuyauterie sans que sa surface interne soit détériorée.
La couche 10 de revêtement est entourée par deux couches 11 d'étoffe de verre constituant des enveloppes formées de bandes enroulées en hélice et jouant le r81e d'organes radialement internes de délimitation d'une couche 12 d'étanchéité formée par un fluide extrudé ultérieurement, plus précisément un polymère fluoré tel qu'une matière plastique fluorée d'un type qui résiste très bien à la pénétration par le pétrole, la couche empêchant les fuites du pétrole à travers la paroi de la tuyauterie.Des matières qui conviennent pour la formation de cette couche d'étanchéité au fluide, et qui sont analogues aux matières polymères décrites précédemment pour la première couche, sont le "Tefzel", le "Teflon FEP" et lé "Teflon PFA" (de DuPont), et la couche d'étanchéité a une épaisseur comprise entre 5 et 9 mm afin qu'elle empêche convenablement les fuites du pétrole transporté et des gaz qu'il contient.
La couche 12 est entourée par deux couches 13 formant des enveloppes constituées aussi par des bandes d'une étoffe de verre enroulées en hélice. Ces couches sont destinées à contenir la matière plastique fluorée, surtout lorsque cette dernière est soumise à des pressions élevées par le pétrole et le gaz qui se trouvent à 1~intérieur de la tuyauterie.
Les couches 13 sont entourées par une structure principale d'armature qui comporte quatre couches 14 d'éléments gainés d'armature 15, décrits plus en détail dans la suite du présent mémoire, les éléments de chaque couche étant enroulés en hélice, avec un faible pas, les éléments des couches successives ayant des sens opposés.
Les couches 14 sont entourées par deux couches 16 constituant des enveloppes et réalisées de façon pratiquement analogue aux couches 13 mais destinées à jouer le raie d'une matière empêchant la pénétration de la matrière polymère d'une couche externe 17 de couverture pendant sa formation par extrusion. Cette couche externe 17 est formée de néoprène, bien que, dans des variantes, un caoutchouc de silicone ou du nylon 11" puisse aussi être utilisé.
Les éléments précités d'armature 15 avoir fi gure 2) comportent des âmes 15a formées de fil d'acier ayant une résistance élevée à la traction, entouré d'une gaine protectrice 15b qui s'oppose à la détérioration de l'acier de résistance mécanique élevée par les gaz et liquides corrosifs qui s'infiltrent à travers la paroi de la tuyauterie souple La gaine protectrice 15b est formée -d'une matière telle que le caoutchouc butyle, le Nylons ou le Teflon*, ayant une perméabilité relativement faible au pétrole brut et aux gaz qui lui sont associés.
L1ame gainée est enrobée dans un liant de caoutchouc néoprène 15c qui a une perméabilité relativement grande par rapport à celle de la matière de la gaine 15b, et ce liant est formé de manière qu'il donne à 1'éliment d'armature un profil externe de section carrée si bien que, lors de 1'enroulement de l'élément 15 en hélice avec des spires jointives, le positionnement et l'espacement précis de l'âme de résistance élevée à la traction des spires successives de la couche d'armature sont facilités.
Dans la construction précitée, la matière à base de néoprène de la couche de couverture 17 et le liant 15c d'enrobage des éléments d'armature contienent, pendant la construction de la tuyauterie souple, un additif ou adjuvant hydrosoluble tel que "PEG 6000" qui est une matière solide cireuse de poids moléculaire égal à 0, ou WPolyox WSR 301" qui est une poudre et dont le poids moléculaire est de 4 000 000 ou l'alcool polyvinylique PVA 14 000.L'adjuvant est extrait de la matière polymère soit au cours de l'opération de fabrication soit sur place lorsque la tuyauterie est immergée dans de l'eau, le temps laissé étant suffisant pour que l'adjuvant soit extrait pratiquement en totalité de la matière polymère avant que la tuyauterie soit utilisée pour le transport de pétrole brut chaud ou d'autres mélanges à deux phases.
Dans la tuyauterie obtenue, la couche 12 d'étanchéité formée d'une matière plastique fluorée constitue la couche qui joue le plus grand rôle pour la dé limi ta- tion du pétrole et du gaz à l'intérieur de la tuyauterie.
Cependant, ces fluides qui s'infiltrent en réalité dans la couche d'étanchéité de matière plastique fluorée, étant donné les températures élevées et les différences élevées de pressions de part et d'autre de la paroi de la tuyauterie, passent d'une manière relativement libre à travers la matière polymère de perméabilité relativement faible du liant 15c et de la couche 17 de couverture.
La contribution importante à la perméabilité- de la matière de la seconde couche de néoprène, constituée par les formations de trajets fibrillaires, c' est-à-dire dans le liant 15c et la couche 17 de couverture dans ltexem- pie considéré, est indiquée par les résultats d'e-ssais du tableau suivant.
TABLEAU
Matière Perméabilité
Néoprène tel quel ,7
Néoprène avec adjuvant "PEG 600011 1,5 sans extraction par l'eau
Néoprène avec adjuvant "PEG 6000 106 600 avec extraction par l'eau
Caoutchouc de silicone tel quel 116
Les valeurs précitées de la perméabilité sont esprimbes en cm3/cm.s.cin2.barx10#8 par rapport à l'air à avec.
De préférence, la proportion d'additif incor poré à la matière polymère est comprise entre 50 et 100 parties pour cent. Les trajets fibrillaires résultant de la dissolution de l'additif ne doivent pas nécessairement être connectés, bien qu'une telle connexion soit souhaitable dans la mesure ou l'intégrité mécanique de la matière polymère n'est pas réduite.
La perméabilité relativement élevée des couches 15, 17 de néoprène permet la formation d'une tuyauterie souple résistant à une pression élevée et qui est pratiquement imperméable aux liquides tels que les hydrocarbures liquides, tout en pouvant supporter sans détérioration l'infiltration des gaz associés au fluide transporté dans la tuyauterie.

Claims (10)

REVENDICATIONS
1. Paroi souple destinée à contenir un fluide sous pression, caractérisée en ce qu'elle comporte une première couche (12) d'une matière polymère qui, lors de l1utili- sation de la paroi, est placée à proximité du fluide à çontenir, et une second couche (14, 17) qui a été formée d'une matière polymère d'un type contenant un adjuvant qui, lorsqu'il est extrait, provoque une augmentation notable de la perméabilité de la matière de la seconde couche, par rapport à celle de la première couche.
2. Paroi selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'adjuvant a été extrait de manière que la seconde couche (14, 17) de matière polymère comprenne des formations de trajets fibrillaires qui, par rapport à la matière de la première couche (12) permettent un passage relativement facile du gaz à travers la seconde couche.
3. Paroi selon la revendication 2, caractérisée en ce que les formations de trajets fibrillaires sont formées par utilisation, pour la seconde couche (14, 17), d'un adjuvant qui est extrait de la matière après la mise de celle-ci à la forme qu'elle prend normalement dans l'objet final.
4. Paroi selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que l'adjuvant est hydrosoluble.
5. Paroi selon la revendication 4, caractérisée en ce que l'adjuvant est l'oxyde de polyéthylène.
6. Paroi selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle comporte une structure d'armature (15) enrobée dans la seconde couche (14) de matière polymère.
7. Tuyauterie souple résistant à des pressions élevées, caractérisée en ce qu'elle comporte une structure d'armature (15) et une paroi souple selon l'une quelconque des revendications précédentes, la première couche de matière polymère ayant une configuration sensiblement tubulaire et la seconde couche (14, 17) de matière polymère étant placée vers ltextérieur par rapport à la pre mière couche (12).
8. Tuyauterie selon la revendication 7, caractérisée en ce que la première couche (12) est une couche de revêtement interne de la tuyauterie.
9. Tuyauterie selon l'une des revendications 7 et 8, caractérisée en ce que la seconde couche (17) est une couche de couverture de la tuyauterie.
10. Tuyauterie selon l'une quelconque des revendications 7 à 9, caractdrisée; en ce que la structure d'armature (15) est enrobée dans la seconde couche (14) de matière polymère.
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