FR2833063A1 - Conduite sous-marine renforcee et ensemble de deux conduites coaxiales en comprenant - Google Patents

Abstract

La présente invention concerne une conduite sous-marine renforcée comprenant une paroi tubulaire, caractérisé en ce que ladite paroi comprend au moins un élément de renfort périphérique externe (6, 7) créant une pluralité de zones localisées sur la surface extérieure de ladite paroi, la distance radiale (d, ) entre la surface extérieure de la conduite et l'axe longitudinal (XX') de ladite paroi au niveau desdites zones étant supérieure au rayon extérieur (R) des portions de parois tubulaires séparant lesdites zones successives dans ladite direction longitudinale (XX'), deux dites zones successives étant espacées dans ladite direction longitudinale (XX') de ladite paroi tubulaire, d'une distance (D) de 1/ 2 à 4 fois, de préférence de 1 à 3 fois, le diamètre extérieur (d) desdites portions de paroi tubulaire, de préférence lesdites zones successives étant régulièrement espacées.La présente invention concerne également un ensemble de deux conduites coaxiales (9) comprenant une conduite exteme (10) contenant une conduite interne (11) reliées entre elles par des liens mécaniques centreurs (13) constitués de préférence par des pièces en matériau plastique, de préférence encore en élastomère, l'espace (12) entre les deux dites conduites exteme et interne comprenant de préférence un matériau isolant, caractérisé en ce que ladite conduite externe comprend au moins une conduite selon l'invention.

Description

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CONDUITE SOUS-MARINE RENFORCEE ET
ENSEMBLE DE DEUX CONDUITES COAXIALES EN COMPRENANT
La présente invention concerne les conduites sous-marines et notamment les conduites installées à grande profondeur.

Le secteur technique de l'invention est le domaine de la fabrication et de l'installation de conduites pour l'exploitation sous-marine de champs de pétrole, de gaz ou autre matériau soluble ou fusible ou d'une suspension de matière minérale.

La présente invention concerne plus particulièrement les conduites destinées aux Ultra-Grands-Fonds, c'est à dire de 1000 à 2000m, voire 3000m ou plus.

Il concerne aussi le secteur du transport du gaz par conduites sousmarines.

Il concerne plus particulièrement les développements de champs de production installés en pleine mer au large des côtes. L'application principale de l'invention étant dans le domaine de la production pétrolière.

La présente invention concerne le domaine connu des liaisons de type : conduites sous-marines installées soit sur le fond de la mer, soit remontant vers la surface en direction d'un support flottant ancré.

En effet, dès que la profondeur d'eau des champs de production considérés dans la présente description comme étant des champs pétroliers, devient importante, leur exploitation s'effectue en général à partir de supports flottants. Les têtes de puits sont souvent réparties sur la totalité du champ et les conduites de production, ainsi que les lignes d'injection d'eau et les câbles de contrôle commande, sont déposées sur le fond de la mer en direction d'un emplacement fixe, à la verticale duquel le support flottant est positionné en surface.

Les conduites sont en général posées depuis la surface par des barges spécialisées selon la technique"dite en S"si la profondeur d'eau n'est pas trop irpportante, par exemple 300-500m, ou la technique"dite en J"si la profondeur est plus importante. Les appellations "en S" ou "en J" proviennent de l'allure de

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la courbe que prend la conduite entre la barge de pose, laquelle courbe est respectivement en forme de"S"ou de"J".

Lors de l'installation, la conduite est posée vide de manière à profiter de la flottabilité complémentaire apportée par la poussée d'Archimède, ce qui réduit considérablement la tension nécessaire pour maintenir depuis la barge la conduite en cours d'assemblage.

Ainsi, lorsque la conduite repose sur le fond, du fait qu'elle est vide et en communication directe avec la surface, la pression interne correspond sensiblement à la pression atmosphérique, alors que la pression externe correspond à la pression du fond de la mer, c'est à dire sensiblement à une pression de 10 bars pour ROOm de profondeur.

Ainsi, la conduite doit pouvoir résister à une pression de fond d'environ 150 bars pour une profondeur de 1500m et d'environ 350bars pour une profondeur de 3500m. Cette pression a tendance a faire imploser la conduite, cette implosion se produisant brutalement dès que la pression limite est dépassée.

On pourrait poser la conduite pleine pour éviter ce désagrément, mais la tension nécessaire en tête deviendrait alors rapidement excessive, et dans le cas de la production pétrolière, du fait qu'il peut se produire des arrivées de gaz en provenance des puits, ces arrivées de gaz risquant alors de remplir intégralement des longueurs considérables de conduite, on se retrouverait confronté au même problème que dans le cas précédent, dès lors que l'on dépressurise la conduite depuis la surface.

Pour les profondeurs faibles ou moyennes, les conduites sont ainsi en général dimensionnées pour tenir à la pression interne de service et leur comportement à l'implosion est vérifié de manière à éviter les incidents futurs. Par contre, pour les grands-fonds et ultra-grands-fonds, le critère de non-

1 implosion devient prédominant et les conduites doivent être dimensionnées par rapport à ce critère.

Lors de la pose de conduites en"S"ou en"J", lorsque le navire présente une instabilité dans sa position, la déformation résultante de la courbe en"S"ou en"J"risque de créer une augmentation inacceptable de la courbure, qui dégénère alors en un pliage localisé de la conduite désigné par le terme anglo-

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saxon de"buckle". Ce pliage dégénère alors presque instantanément en une implosion de la conduite. Cette implosion se propage très rapidement à l'intégralité de la portion de conduite en suspension ainsi que celle posée sur le fond de la mer. On peut éviter ce phénomène en augmentant l'épaisseur de la conduite ou encore en utilisant des aciers de performances accrues, mais l'augmentation de la quantité de matière augmente non seulement le coût de la conduite, mais aussi la tension nécessaire à la pose.

Du fait que l'on cherche à optimiser le coût global, on préfère installer à intervalles réguliers des renforts localisés appelés "buckle arestors", c'est à dire anneaux anti-implosion, dont la fonction est de stopper la progression d'une implosion initiée sur un pliage localisé. Ces anneaux anti-implosion sont en général des surépaisseurs de conduite localisées sur une longueur de 30 cm à 1 m et réparties par exemple tous les 200m le long de toute la conduite. Ainsi, en cas d'incident de pose, l'implosion est limitée à la portion comprise entre deux anneaux. On remonte alors la conduite jusqu'à la fin de la zone endommagée, que l'on élimine, puis on reprend la pose courante.

Sur certains champs, les conduites doivent être isolées de manière à ce que l'effluent pétrolier arrive en surface au dessus d'une température minimale, pour éviter, d'une part l'augmentation de la viscosité du brut, mais surtout la formation de paraffines ou d'hydrates. On cherche ainsi à éviter que la température du brut ne descende en dessous de 30-40 C avant d'arriver en surface. Du fait que l'eau de mer à grande profondeur est aux alentours de 4 C, de nombreux systèmes d'isolation à très hautes performances ont été développés pour atteindre cet objectif et surtout pour maintenir en température le brut en cas d'arrêt intempestif de la production. En effet, il est très difficile de redémarrer les installations en cas d'obstruction localisée et encore plus si elle est généralisée.

Parmi les technologies retenues pour remplir la fonction d'isolation, certaines sont dénommées PiP ou"Pipe in Pipe", c'est à dire "conduite dans une conduite". A cet effet, une conduite interne véhiculant le fluide chaud est installée dans une conduite de protection externe, l'espace entre les deux conduites étant, soit simplement rempli d'un calorifuge, confiné ou non sous vide, soit simplement tiré au vide. Ce type d'ensemble de conduites coaxiales

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comprenant une conduite externe contenant une conduite interne reliées entre elles par des liens mécaniques centreurs et dont l'espace entre les deux dites conduites externe et interne comprend de préférence un matériau isolant, est décrit dans PCT/FROO/03200.

Dans ce type de conduite, du fait que l'espace entre les conduite est soit sous vide, soit sous pression sensiblement atmosphérique, il apparaît que la conduite interne sera dimensionné principalement pour résister à l'éclatement, c'est à dire à la pression de service, l'enveloppe externe étant quant à elle dimensionnée principalement pour résister à l'implosion à la pression de fond.

Dans les PiPs, la conduite interne se trouve à la température du fluide, donc à haute température, alors que l'enveloppe externe se trouve à la température du fond de la mer, c'est à dire à environ 4 C. Il en résulte ainsi des dilatations différentielles entre la conduite interne et la conduite externe qui engendrent des efforts considérables, pouvant atteindre plusieurs dizaines, voire plusieurs centaines de tonnes qui se répercutent jusqu'aux extrémités et qu'il faut contenir par des structures de liaison considérables pour éviter des mouvements axiaux intempestifs d'une conduite par rapport à l'autre. Ces phénomènes de pression de fond et de dilatation différentielle étant connus de l'homme de l'art dans le domaine de l'exploitation pétrolière, ne seront pas développés plus en détails ici.

On connaît le brevet US 4 261 671 qui propose de réaliser des ondulations multiples, régulières et rapprochées, circulaires ou en spirale, pour augmenter la résistance d'une conduite à la pression. Ces ondulations multiples comprennent des formes et contre-formes symétriques ou complémentaires se succédant en continu. Un tel profilage ondulé ou en spirale se fait en général par expansion hydraulique interne d'une paroi tubulaire et est très délicat à réaliser, surtout sur les conduites de forte épaisseur.

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Compte tenu du fait que les ondulations se succèdent en continu et sont donc très rapprochées, il est nécessaire d'insérer à l'intérieur de la conduite un revêtement permettant de lisser la surface interne de sa paroi, permettant ainsi de boucher les creux trop nombreux risquant de perturber l'écoulement du fluide au sein de la paroi.

On connaît le brevet FR 2 781 034 qui décrit un conduit léger isolé et

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renforcé mécaniquement, utilisant un tuyau externe onduleux s'appuyant sur le tubage interne, un calorifuge comblant alors les vides. Une telle conduite présente alors des ponts thermiques considérables en raison dudit contact entre les conduites internes et externes et de plus, réalisée en matériaux légers, elle ne saurait remplir les fonction que l'on attend d'une conduite destinée aux ultra grands fonds marins.

On connaît le brevet FR 2 808 864 qui décrit une conduite à résistance améliorée au flambage dans laquelle on réalise des cannelures successives espacées les unes des autres d'une distance de 0,25 à 3 fois le diamètre de la paroi tubulaire et donc en nombre réduit par rapport aux réalisations du brevet US 4 261 671. Toutefois, ces cannelures sont obtenues par formage en creux du type emboutissage depuis l'extérieur, le diamètre interne de la conduite étant alors réduit d'autant. Dans ce type de conduite, le diamètre de la portion tubulaire de la conduite étant plus important que le passage interne au niveau des cannelures, nécessite, pour résister à une pression donnée, une épaisseur de paroi accrue par rapport à la version décrite dans le brevet précédent, pour obtenir un même diamètre du passage interne utile à l'écoulement du fluide à l'intérieur de la conduite.

Dans les deux brevets, US 4 261 671 et FR 2 808 864, la réalisation d'ondulations ou de cannelures le long de la conduite, est très délicate à obtenir de manière régulière, dès lors que l'on souhaite conserver une conduite rectiligne et d'un diamètre interne sensiblement constant.

Ainsi le problème posé selon la présente invention est de fournir une conduite sous-marine renforcée améliorée qui résiste à l'implosion lors de la pose à vide à grande profondeur mais aussi en service lorsqu'elle repose au fond de la mer et qu'elle est soumise à la pression de fond, et qui soit en outre et surtout plus facile et moins onéreuse à réaliser industriellement que dans la technique antérieure.

Un autre but de la présente invention est de fournir une conduite sousmarine renforcée résistant au flambage et à l'implosion, la plus légère possible de manière à pouvoir être posée au fond de la mer par des moyens impliquant une tension mécanique réduite.

Un autre but de la présente invention est de fournir une conduite sous-

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marine du type PiP dans laquelle la conduite externe supporte les mouvements axiaux de dilatation de la conduite interne à laquelle elle est liée, tout en étant renforcée pour résister à l'implosion.

Pour ce faire, la présente invention fournit un élément unitaire de conduite sous-marine renforcée, comprenant une paroi tubulaire. Ladite paroi comprend au moins un élément de renfort périphérique externe créant une pluralité de zones localisées sur la surface extérieure de ladite paroi, la distance radiale entre la surface extérieure de la conduite et l'axe longitudinal de ladite paroi au niveau desdites zones étant supérieure au rayon extérieur des portions de parois tubulaires séparant lesdites zones successives dans ladite direction longitudinale XX', deux dites zones successives étant espacées dans ladite direction longitudinale XX'de ladite paroi tubulaire, d'une distance de 1/2 à 4 fois, de préférence de 1 à 3 fois, le diamètre extérieur desdites portions de paroi tubulaire, de préférence lesdites zones successives étant régulièrement espacées.

On entend ici par "élément unitaire de conduite sous-marine"soit une conduite sous-marine continue, soit des éléments discontinus notamment de 5 à 50m destinés à être mis bout à bout pour former une dite conduite sous-marine.

La conduite renforcée selon la présente invention permet d'empêcher l'apparition d'implosion de ladite conduite en ayant recours à des modifications dimensionnelles de ladite conduite, soit par déformation de la paroi, soit en ayant recours à des éléments de renfort rapportés, comme il sera explicité ci-après.

Lesdites modifications sont en nombre réduit, comme dans FR 2 808 864, mais sont plus efficaces car elles confèrent une augmentation de l'inertie de la section transversale de la conduite au niveau de ces modifications d'une part, et que d'autre part, elles permettent de réaliser des conduites plus légères pour un même diamètre de passage interne utile d'écoulement du fluide à l'intérieur de la 1 conduite comme explicité dans la description détaillée ci-après.

On comprend que lesdits éléments de renfort périphériques externes sont des éléments s'étendant sur la surface extérieure constitutive de ladite paroi.

Ladite paroi comprend :

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- desdits éléments de renfort discontinus (6) tels que lesdites zones dans une même direction longitudinale sont créés par des éléments de renfort discontinus distincts, et/ou - des éléments de renfort continus (7), tels que chaque élément de renfort continu comprend au moins deux dites zones dans une même direction longitudinale (XX').

Chaque dit élément de renfort continu peut former une courbe ouverte ou fermée. En revanche un dit élément de renfort continu forme de préférence une courbe ouverte.

L'espacement desdites zones successives d'une distance de 1/2 à 4 fois le diamètre de la paroi, est justifié en ce que chaque dit élément de renfort stabilise ladite conduite au niveau de ladite zone sur une distance de 1/4 à 2 fois le diamètre de ladite paroi dans sa portion tubulaire, de part et d'autre de ladite zone.

Dans un mode de réalisation particulier, l'augmentation de ladite distance radiale entre la surface extérieure de la conduite et l'axe longitudinal de ladite paroi est égale à 1/2 à 5 fois, de préférence de 1 à 3 fois, à l'épaisseur de ladite paroi tubulaire dans sa partie courante.

Dans une première variante de réalisation, ladite paroi comprend une pluralité d'éléments de renfort discontinus annulaires formant chacun une dite zone correspondant à une augmentation du diamètre extérieur de ladite conduite au niveau desdits éléments de renfort annulaires.

Dans une seconde variante de réalisation, ladite paroi comprend au moins un élément de renfort hélicoïdal continu réalisant au moins une portion de courbe d'hélice de même axe longitudinal que ladite paroi tubulaire.

Dans un mode de réalisation, la paroi comprend plusieurs éléments de renfort hélicoïdaux discontinus, plusieurs zones localisées au regard d'une même dite génératrice de la partie courante de la paroi tubulaire appartenant à des éléments de renfort hélicoïdaux séparés.

Dans un autre mode de réalisation, la paroi comprend un seul dit élément de renfort hélicoïdal continu qui s'étend sur la surface externe de ladite paroi en réalisant plusieurs révolutions. Ledit élément hélicoïdal continu comprend alors

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une pluralité de dites zones localisées successives dans une même direction longitudinale espacées d'une distance correspondant au pas de ladite hélice.

Dans un mode de réalisation préféré de cette deuxième variante, ladite paroi comprend plusieurs dits éléments de renfort hélicoïdaux coaxiaux parallèles entre eux, de préférence de 2 à 4 dits éléments de renfort hélicoïdaux parallèles, de préférence encore au moins 2 éléments de renfort hélicoïdaux continus tels qu'ils comprennent desdites zones diamétralement opposées par rapport à l'axe de ladite paroi respectivement sur chacun des deux dits éléments hélicoïdaux.

On comprend que les pas desdites hélices sont tels que deux dites zones successives en regard d'une même dite génératrice appartiennent à des hélices distinctes et sont espacées dans ladite direction longitudinale d'une distance D de 1/2 à 4 fois, de préférence de 1 à 3 fois, le diamètre extérieur de ladite partie courante de la paroi tubulaire.

Dans un mode de réalisation avantageux, chaque dite zone localisée correspond à une augmentation de ladite distance radiale par rapport audit axe longitudinal XX'et s'étend dans ladite direction longitudinale sur une longueur de 2 à 10 fois l'épaisseur de la paroi dans ses pprtions tubulaires. Cette longueur de 2 à 10 fois l'épaisseur correspond, le cas échéant, à une dite déformation dont le rayon de courbure est de 1 à 5 fois l'épaisseur de ladite paroi.

Dans un premier mode de réalisation de chacune des deux dites variantes de réalisation des éléments de renfort mentionnées ci-dessus, lesdits éléments de renfort sont constitués par des profilés, rapportés sur la surface extérieure de ladite paroi créant une surépaisseur de ladite paroi au niveau desdites zones.

Plus particulièrement, lesdits profilés sont des profilés métalliques, de préférence, soudés sur la surface extérieure d'une dite paroi tubulaire métallique ou en matériau composite, de préférence un profilé à section rectangulaire ou trapézoïdale. Lesdits profilés peuvent également être des profilés en matériau composite de préférence collés sur la surface extérieure d'une dite paroi tubulaire métallique ou en matériau composite, de préférence, un profilé à section rectangulaire ou trapézoïdale.

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Lorsque ledit profilé est un profilé métallique, celui-ci peut être pré constitué puis soudé ou collé sur la paroi ou il peut être réalisé in situ sur la paroi par apport direct de métal, selon la géométrie définie.

Dans un deuxième mode de réalisation des deux dites variantes de réalisation desdits éléments de renfort, lesdits éléments de renfort sont réalisés par des déformations créant un embossage de ladite paroi métallique.

On comprend que l'embossage correspond à une bosse tournée vers l'extérieur de la paroi et l'épaisseur de la conduite n'est pas substantiellement modifiée au niveau de la déformation.

Plus particulièrement, ladite déformation est réalisée par forgeage de la paroi métallique depuis l'intérieur de ladite conduite.

Ledit premier mode de réalisation est particulièrement avantageux car il ne présente pas de déformation du diamètre interne de la paroi, laquelle reste lisse, ce qui élimine les perturbations de l'écoulement du fluide à l'intérieur de la conduite. D'autre part, ce dit premier mode de réalisation est plus aisé à mettre en oeuvre industriellement que la réalisation des déformations par embossage de ladite paroi.

Dans un mode préféré de réalisation de l'invention, un élément unitaire de conduite sous-marine renforcée comprend : - au moins un dit élément de renfort hélicoïdal continu dans sa partie centrale, et - au moins un, de préférence de 2 à 10, élément (s) de renfort discontinus annulaire (s) entre chaque extrémité dudit élément unitaire de conduite et ledit/lesdits élément (s) de renfort hélicoïdal (aux) continu (s) (7).

De préférence encore : - le ou lesdits éléments de renfort annulaires sont réalisés par déformation par forgeage de ladite paroi, et - le ou lesdits éléments de renfort hélicoïdaux continus sont des profilés rapportés à la surface de ladite paroi, et, de préférence, solidarisés à cette dernière par soudure ou par collage.

La présente invention a également pour objet une conduite sous-marine renforcée et réalisée par raboutage, notamment par soudage, d'une pluralité

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d'éléments unitaires de conduite comprenant au moins un élément unitaire de conduite.

La présente invention fournit également un ensemble de deux conduites coaxiales comprenant une conduite externe contenant une conduite interne, lesdites conduites externes et internes étant reliées entre elles par des liens mécaniques centreurs constitués de préférence par des pièces en matériau plastique, de préférence encore en élastomère, l'espace entre les deux dites conduites externe et interne comprenant de préférence un matériau isolant et ladite conduite externe comprend au moins un élément de conduite unitaire renforcé selon l'invention.

De préférence la présente invention fournit un ensemble de deux conduites dans lequel ladite conduite externe comprend au moins un dit élément de conduite unitaire renforcée comprenant : - au moins un dit élément de renfort hélicoïdal continu dans sa partie centrale, de préférence le ou les dit (s) éléments de renfort hélicoïdaux continus étant des profilés rapportés à la surface de ladite paroi, et - au moins un, de préférence de 2 à 10, élément (s) de renfort discontinus annulaire (s) entre l'une au moins des extrémités dudit élément unitaire de conduite et ledit/lesdits élément (s) de renfort hélicoïdal (aux) continu (s).

De préférence encore : - le ou lesdits éléments de renfort annulaires sont réalisés par déformation par forgeage interne de ladite paroi, et - le ou lesdits éléments de renfort hélicoïdaux continus sont des profilés rapportés à la surface de ladite paroi, et de préférence solidarisés à cette dernière par soudure ou par collage.

Des ensembles coaxiaux de ce type sont particulièrement avantageux car ils combinent-comme explicité dans la description détaillée qui suivra-les deux effets techniques suivants de : + résistance à l'implosion et au flambage, et + tolérance des dilatations différentielles entre les conduites internes et externes lorsque celles-ci sont en service.

La présente invention fournit également un faisceau de conduite constitué par un dispositif d'isolation thermique de conduite sous-marine comportant :

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- un revêtement isolant thermique entourant la/lesdites conduites sousmarines, - ledit revêtement étant recouvert d'une enveloppe étanche de protection, ladite enveloppe étant de forme tubulaire et présentant un axe longitudinal de symétrie et étant constitué de préférence d'un matériau souple ou semi-rigide apte à rester au contact de la surface extérieure dudit revêtement isolant lorsque celle-ci se déforme.

La/lesdites conduites sous-marines contenues dans ledit faisceau de conduite comprennent des éléments de conduite unitaire renforcée, ou des ensembles de deux conduites coaxiales selon l'invention.

D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront mieux à la lecture de la description qui va suivre, faite de manière illustrative et non limitative, en référence aux dessins annexés sur lesquels : - la figure 1 est un schéma en vue de côté de la pose en J d'une conduite par grande profondeur à partir d'un navire, - la figure 2 est la vue de côté d'une portion de conduite équipée d'une pluralité de renforts circulaires régulièrement espacés,

- la figure 3 représente la section longitudinale en vue de côté de la conduite de la figure 2 en A et une vue en perspective relative à la figure 2 en B, - la figure 4 est une coupe en vue de côté d'une conduite montrant un outil de formage à galet unique forgeant à chaud un renfort par expansion vers l'extérieur de la conduite, - la figure 5 est une vue éclatée représentation une section axiale longitudinale en vue de côté de l'enveloppe externe 1 a d'un pipe-inpipe, associée à une vue de côté de la conduite interne 1 b dudit pipe-in-

pipe, 1 les figures 6 et 7 sont une vue de côté d'une portion de conduite équipée, à ses extrémités de renforts circulaires 6 et dans sa partie courante d'un renfort hélicoïdal continu 7, la figure 8 est la section en vue de côté selon le plan AA de la figure 6, les figures 9 et 10 sont des sections en vue de face d'un faisceau

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de conduites comportant respectivement deux conduites et une conduite, ta figure 11 est la section en vue de côté de l'enveloppe externe d'un faisceau, associé à la vue de côté d'une conduite interne renforcée par un double spiralage, ta figure 12 est la section en vue de côté selon le plan BB de la figure 10. ta figure 13 est un abaque représentant, en fonction de la pression externe, donc de la profondeur, l'épaisseur nécessaire de la paroi de la conduite, avec et sans renfort, la figure 14 est une vue de côté d'une conduite épaisse capable de résister d'elle-même à la pression de fond, les figures 15 à 18 sont les coupes en vue de côté de conduites à paroi épaisse et à parois amincies selon divers modes de renforcement localisé.

La figure 1 est un schéma en vue de côté de la pose en J d'une conduite 1 par grande profondeur à partir d'un navire. 2 équipé d'une tour de pose 3 de conduites sous marines. La conduite est en général posée vide pour minimiser la tension en tête comme explicité précédemment et, de ce fait, la pression interne est sensiblement identique à la pression atmosphérique.

La figure 2 est la vue de côté d'une portion de conduite 1 équipée d'éléments de renfort discontinus annulaires 6 appelés ci-après"cerces". Lesdits éléments de renfort sont espacés de manière régulière (D) et sont constitués soit par des éléments profilés rapportés et soudés à la surface de ladite conduite, soit par des éléments résultant du forgeage de la paroi depuis l'intérieur de ladite conduite. Ces éléments de renfort annulaires discontinus définissent chacun une zone localisée sur la surface extérieure de la conduite dans laquelle la distance radiale d1 entre la surface extérieure de la conduite et l'axe longitudinal XX'de la paroi est supérieure au rayon supérieur R des portions de paroi tubulaires entre deux dites zones successives dans la direction longitudinale XX'. Les éléments de renfort annulaires 6 sont espacés d'un distance D de 2 à 3 fois le diamètre extérieur d desdites portions de paroi tubulaires constituant la partie courante de

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la paroi.

L'augmentation de ladite distance radiale d2 entre la surface extérieure de la conduite et l'axe longitudinal XX'de ladite paroi est égale à 3 à 4 fois l'épaisseur de ladite paroi tubulaire dans sa partie courante.

La figure 3 représente, sur la partie gauche du dessin (A), la section longitudinale en vue de côté de la conduite 1 sur laquelle on détaille les cerces 6

obtenues par forgeage à chaud depuis l'intérieur, et sur la partie droite (8), la représentation en perspective desdites cerces forgées 6. L'épaisseur de la paroi au niveau des éléments de renfort annulaires obtenus par des formations par forgeage de la paroi est sensiblement identique à celle du reste de la conduite.

Ces cerces forgées 6 créent des variations de diamètre de la conduite augmentant de manière locale l'inertie de la paroi ce qui accroît la résistance au flambage initiateur de l'implosion.

La figure 4 représente la coupe en vue de côté d'une conduite selon l'invention présentant des éléments de renfort annulaires obtenus par déformation par forgeage depuis l'intérieur de la conduite avec une représentation des moyens mis en oeuvre dans le procédé d'obtention de ces éléments de renfort annulaires 6. La conduite 1 supportée par des rouleaux 20 est mise en rotation 24 par des moyens non représentés. Un porte-outil 21 maintenu depuis l'extérieur de la conduite 1 est solidaire d'un galet de formage 22. L'ensemble est fortement pressé contre la paroi de ladite conduite. Ledit galet 22 roule sur la conduite mise en rotation et forme ainsi l'élément de renfort annulaire 6 après quelques rotations. Pour minimiser les efforts nécessaires au forgeage, on chauffe avantageusement ladite conduite de manière ponctuelle, de préférence sur une longueur correspondant à la portion à déformer, par exemple à l'aide d'un chalumeau oxyacéthylénique 23. Lorsque le galet 22 a terminé sa course radiale, la réalisation de l'élément de renfort annulaire 6 est terminé, on ramène alors le galet 22 vers l'axe de la conduite XX'pour le libérer. Puis, on déplace enfin la conduite 1 d'un distance D pour forger l'élément de renfort annulaire suivant.

Sur la figure 5 on a représenté un ensemble de deux conduites coaxiales de type"pipe in pipe"comprenant une conduite externe 10 contenant une conduite interne 11 reliées entre elles par des liens mécaniques centreurs 13

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constitués de préférence par des pièces en matériaux plastiques, de préférence en élastomère. L'espace 12 entre les deux dites conduites externe 10 et interne 11 comprend de préférence un matériau isolant. La conduite interne 11 peut être soumise à une pression d'éclatement alors que la conduite externe 10 est quant à elle soumise à la pression externe tendant à la faire imploser. Les centraliseurs 13 maintiennent les deux conduites externe et interne 10 et 11 écartées de façon concentrique. Ces centraliseurs 13 sont installés de façon connue à intervalle régulier le long de la conduite, par exemple tous les 12m. Certains centraliseurs 13 appelés"centraliseurs de liaison renforcée lient de manière rigide et en les maintenant écartées, les conduites interne 11 et externe 10 de manière à créer une étanchéité localisée pour isoler les tronçons successifs les uns des autres.

Ces centraliseurs de liaison renforcée sont davantage espacés par exemple tous les 200m. Ce système d'isolation maintient le pétrole brut circulant à l'intérieur à une température élevée, alors que le fond de la mer se trouve à environ 4OC. Il en résulte des phénomènes de dilatation différentielle 14 entre la conduite interne 11 chaude et l'enveloppe externe 10 froide. Dans le cas d'une enveloppe externe 10 selon l'art antérieur, lesdits phénomènes de dilatations différentielles produisent des efforts axiaux au niveau desdits centraliseurs de liaison renforcée 13 pouvant atteindre plusieurs centaines de tonnes. Lesdits centraliseurs de liaison renforcée 13 doivent être extrêmement résistants et ils créent des ponts thermiques considérables entre la zone calorifugée 12 et l'extérieur de la conduite à une température de l'ordre de 4 C. Les éléments de renfort annulaires obtenus selon la présente invention par des déformations de paroi par forgeage depuis l'intérieur de la conduite ont pour effet en plus de l'amélioration du comportement à l'implosion, de donner, de par les courbures et contre-courbures créées au niveau desdits éléments de renfort annulaires, une souplesse longitudinale à l'enveloppe externe 10, autorisant cette dernière à s'allonger sous l'effet de la dilatation de la conduite interne 11, en réduisant considérablement les efforts engendrés au niveau des centraliseurs renforcés 13.

La figure 6 représente la vue de côté d'une portion de conduite comprenant : un élément de renfort hélicoïdal continu 7 dans sa partie centrale

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qui s'étend sur la surface externe de ladite paroi en réalisant plusieurs révolutions d'axe XX'. Ledit élément de renfort hélicoïdal continu 7 est constitué d'un profilé métallique rapporté par soudage à la surface de ladite paroi. De part et d'autre de cet élément de renfort hélicoïdal continu 7, sont disposés aux extrémités de la portion de conduite 1, des éléments de renfort annulaires 6 réalisés par déformation par forgeage de la paroi depuis l'intérieur de la conduite. L'élément de renfort hélicoïdal 7 constitué par un profilé rapporté sur la surface extérieure de la paroi crée une surépaisseur de ladite paroi qui se traduit par une augmentation de la distance radiale entre la surface extérieure de la conduite au niveau desdits éléments rapportés et l'axe longitudinal XX'par rapport à la partie courante tubulaire de la paroi.

Sur la figure 7, on montre comment l'élément de renfort hélicoïdal est enroulé en spirale.

Sur la figure 8, on montre la section rectangulaire 9 du profilé constitutif de l'élément de renfort hélicoïdal 7, celui-ci étant solidarisé par soudure sur la face externe de la conduite 1. L'élément de renfort hélicoïdal continu 7 spiralé représenté sur la figure 6, présente le même effet stabilisateur que les éléments de renfort annulaires 6 précédemment décrits. Le pas du spiralage ou le pas de l'hélice D correspond à une distance comprise entre 0.5 et 4 diamètres, de préférence de 2 à 3 diamètres. La valeur de cette distance D dépend du diamètre de l'enveloppe externe, de son épaisseur et de la pression externe à la conduite.

La portion de conduite 1 représentée sur la figure 6 correspond avantageusement à une longueur unitaire standard disponible sur le marché, c'est à dire environ 12 m, une conduite peut alors être réalisée par raboutage de ces éléments de conduite unitaires. Pour réaliser une conduite telle que montrée sur la figure 6, on réalise tout d'abord le forgeage des cerces 6 à chaud en chauffant la conduite 1 au rouge et l'on forme la cerce 6 à l'aide d'un outil extensible à molette comme décrit précédemment. Ensuite, l'élément de renfort hélicoïdal est fabriqué à la manière d'un ressort, directement sur l'enveloppe de la conduite, celle-ci étant mise en rotation 30 et en translation 31. L'élément de renfort hélicoïdal 7 est formé de préférence après chauffage au rouge sombre puis mis en place sur la conduite par simple synchronisation de la rotation 30 et

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de l'avancement 31 de l'enveloppe tubulaire constituant la conduite 1. L'élément de renfort hélicoïdal 7 est avantageusement soudé 32, de préférence des deux côtés du profilé, de préférence encore en continu.

Le procédé selon l'invention permet ainsi de fabriquer des longueurs unitaires de conduite de 12,24, 48 ou plus, présentant un élément de renfort hélicoïdal 7 en longueur courante et un voire deux élément (s) de renfort annulaire (s) obtenus par déformation par forgeage aux extrémités, lesdites cerces 6 donnant alors de la flexibilité longitudinale permettant de minimiser les efforts dus aux variation de température au sein de l'ensemble coaxial PiP, lorsque la conduite constitue la conduite externe d'un tel ensemble 9 localisées aux extrémités et non en partie courant. Dans une version préférée de l'invention, des longueurs de conduite renforcée par un spiralage 7 sont fabriquées en continu sur un poste dédié, le forgeage des cerces 6 étant réalisé sur un autre poste. Les tronçons des deux types sont alors raboutés par soudage BB et CC pour former la longueur unitaire illustrée sur la figure 6. Le renfort spiralé, ainsi que les cerces rapportées ont été décrites dans la présente invention comme étant des éléments rapportés solidarisés par soudure ou par collage, mais on reste dans le cadre de l'invention en effectuant ces renforts par apport direct de matière pour atteindre la géométrie définie, par exemple selon la technologie connue de rechargement in situ sous bain de fusion, sous flux ou sous atmosphère contrôlée, ledit bain de fusion étant créé par un arc électrique, un chalumeau, ou tout autre moyen de chauffage adapté, le métal d'apport étant compatible avec le métal de base de la conduite.

Les figures 9 et 10 représentent un faisceau 15 de conduite 1 constitué par un dispositif d'isolation thermique comportant : un revêtement isolant thermique 17 entourant la ou les dites conduite (s) sous-marine (s) 1, ledit revêtement 17 étant recouvert d'une enveloppe étanche de protection 161,162, ladite enveloppe étant de forme tubulaire et présentant un axe longitudinal de symétrie et étant constitué de préférence d'un matériau souple ou semi-rigide apte à rester au contact de la surface extérieure dudit revêtement isolant 17 lorsque celle-ci se déforme. Ces faisceaux de conduite 15 renferment des conduites 1 renforcées avec deux éléments de renfort

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hélicoïdaux coaxiaux 71, 72 parallèles entre eux disposés symétriquement de manière à ce qu'ils forment des zones créant des surépaisseurs diamétralement opposées comme représenté sur la figure 12. Sur la figure 9, l'enveloppe externe 161 est en acier et de forme rectangulaire. Sur la figure 10, l'enveloppe externe 162 est en matériau thermoplastique et de forme circulaire et sons axe longitudinal XX'se confond avec celui de la conduite 1. Les éléments de renfort hélicoïdaux continus 71, 72 rapportés à la surface de la conduite 1 sont constitués par des profilés à section trapézoïdale comme représenté sur la figure 12. De préférence, l'intervalle entre la conduite 1 et l'enveloppe externe 161,162 est rempli d'un composé isolant 17 constitué d'un matériau isolant résistant à la pression, par exemple à changement de phase, de préférence encore d'un gel.

La figure 11 est la section longitudinale en vue de côté d'un faisceau 15 représenté sur la figure 10, la conduite interne 11 étant renforcée par deux spirales 71, 72 de même pas, à savoir un pas d'hélice 2 fois D. Deux zones successives localisées dans la direction longitudinale XX'et correspondant à une surépaisseur d2 de la paroi sont donc espacées d'une distance D correspondant à un demi du pas de l'hélice de chacune des hélices constitutives des deux

éléments hélicoïdaux parallèles 71, 72 disposés symétriquement
La figure 13 est un abaque représentant, en fonction de la pression externe, donc de la profondeur, l'épaisseur nécessaire de la paroi de la conduite, avec et sans renfort.

Cet abaque a été réalisé à partir des éléments suivants : la conduite est en acier de qualité X-60, de limite élastique
415MPa et présente un diamètre extérieur de 16", l'ovalisation du tube est de 0.5% (1- (pmaxAPmin), les abscisses représentent la profondeur d'eau, l'épaisseur nécessaire pour éviter l'implosion se trouve en

1 ordonnées.

La courbe inférieure est un calcul théorique, purement utopique, basé sur l'hypothèse qu'il n'y a pas de phénomène d'instabilité dû à la pression externe, la ruine de la conduite étant alors atteinte lorsque la limite élastique de l'acier est dépassée. Dans la réalité, le phénomène de flambage initiateur de l'implosion est atteint pour une pression beaucoup plus faible, ce qui est illustré par les trois

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courbes supérieures. Ces trois courbes représentent la mise, en application des règles de construction DNV 2000 (Det Norske Veritas) relatives au dimensionnement des conduites sous-marines. La courbe inférieure représente la valeur calculée de l'épaisseur nécessaire théorique pour éviter l'apparition du flambage en un point aléatoire de la conduite présentant l'ovalisation donnée. La courbe supérieure représente l'épaisseur nécessaire théorique pour éviter la propagation d'un"collapse" (entre deux"buckle arrestors"). Il est d'usage alors de considérer une valeur moyenne entre ces deux courbes représentée par la courbe intermédiaire.

Les dispositifs décrits dans cette invention permettent de réduire de manière significative l'épaisseur nécessaire pour éviter l'implosion en se rapprochant de la courbe"utopique". A titre d'exemple, pour la conduite précédemment décrite, à une profondeur d'eau de 1250m, l'épaisseur "utopique" est de 6mm, alors que la réglementation impose une épaisseur de 22mm.

La conduite selon l'invention nécessite, pour la même profondeur d'eau une épaisseur de paroi de 8mm associée à des cerces 6 régulièrement espacées d'un diamètre (16", soit 40.64cm), soit seul soit en combinaison avec un élément de renfort spiralé 7 au même pas d'environ 40cm, ledit élément de renfort spiralé 7 étant constitué d'un plat en acier de section 25mm x 25mm soudé en continu des deux côtés à l'extérieur de ladite conduite.

Le gain de matière est alors considérable, mais l'intérêt essentiel de cette invention réside dans le fait que la conduite est beaucoup plus légère et peut être posée avec une tour de pose en J, telle que représentée sur la figure 1, beaucoup moins puissante.

Les tensions supportées par les engins de manutention pour la pose par ultra grands fonds existant actuellement sont de l'ordre de 400 à 600 tonnes, quelques unités atteignant 1000-1200 tonnes. Les conduites renforcées construites selon l'invention permettent ainsi à partir des tours de pose en J existantes actuellement, d'atteindre des profondeurs bien supérieures à ce qui est techniquement faisable aujourd'hui.

La figure 14 représente en vue de côté une conduite épaisse capable de résister d'elle-même à la pression de fond.

La figure 15 représente une portion L quelconque de ladite conduite. Cette

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portion est stable sous les effets de la pression, car l'inertie longitudinale de la section, associée à la courbure de la conduite dans le sens perpendiculaire est suffisante pour éviter l'inversion de ladite courbure, comme explicité sur la figure 4.

La figure 16 représente une portion stable L d'une conduite à paroi amincie, instable en longueur courante, mais localement renforcée par une cerce obtenue par expansion de la paroi depuis l'intérieur vers l'extérieur. La section longitudinale supérieure de longueur L, comportant ladite cerce possède alors, en association avec la courbure de la conduite dans le plan perpendiculaire, l'inertie suffisante pour résister globalement à l'inversion de courbure explicité sur la figure 3, phénomène précurseur de l'implosion. L'expérience et le calcul montrent que la longueur L est fonction du diamètre, de l'épaisseur et de ses variations, des défauts d'ovalisation, de la qualité de l'acier et est située dans la fourchette 0.5 à 2 fois le diamètre de ladite conduite.

Ainsi, en juxtaposant des renforts espacés d'une distance D=L, chacun d'entre eux a un effet stabilisateur sur une longueur U2 en amont et U2 en aval.

La figure 17 illustre le cas du renfort spiralé soudé, la section représentée étant stabilisée sur une longueur L dans ta direction longitudinale XX', ladite stabilisation se répétant tout le long de la spirale sur la même longueur L de la paroi de ladite conduite.

La figure 18 illustre un renforcement localisé constitué d'une cannelure dirigée vers l'intérieur selon l'art antérieur. Pour que le diamètre interne disponible soit identique à celui des figures 14-17, la partie courante de la conduite doit être de diamètre supérieur à celle de la conduite selon l'invention, donc nécessite une épaisseur sensiblement supérieure pour résister aux mêmes conditions de pression, les caractéristiques géométriques de la cannelure et les autres paramètres liés à la conduite restant sensiblement constants. Les dispositifs selon l'invention présentent ainsi un gain matière, donc une réduction de coût significative, et de plus réduisent la puissance nécessaire des engins de pose par Ultra-Grands-Fonds.

L'invention a été décrite sur la base de conduites en acier renforcées pour résister à l'implosion, mais la même technique s'applique aussi avantageusement aux conduites en matériaux composites, constituées

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d'enroulements filamentaires de fibres de verre, de fibres synthétiques ou de 1 fibres de carbone, dans une matrice époxy, polyester ou autre. Dans le cas de renfort spiralé, ainsi que dans le cas de renforts circulaires continus rapportés, lesdits renforts sont alors soit intégrés à la conduite lors du processus de fabrication, soit rapportés et solidarisés à ladite conduite, par exemple par collage.

Claims (19)

1. REVENDICATIONS 1. Elément unitaire de conduite sous-marine renforcée (1), comprenant une paroi tubulaire, caractérisé en ce que ladite paroi comprend au moins un élément de renfort périphérique externe (6,7) créant une pluralité de zones localisées sur la surface extérieure de ladite paroi, la distance radiale (d1) entre la surface extérieure de la conduite et l'axe longitudinal (XX') de ladite paroi au niveau desdites zones étant supérieure au rayon extérieur (R) des portions de parois tubulaires séparant lesdites zones successives dans ladite direction longitudinale (XX'), deux dites zones successives étant espacées dans ladite direction longitudinale (XX') de ladite paroi tubulaire, d'une distance (D) de 1/2 à 4 fois, de préférence de 1 à 3 fois, le diamètre extérieur (d) desdites portions de paroi tubulaire, de préférence lesdites zones successives étant régulièrement espacées.
2. 2. Elément unitaire de conduite sous-marine renforcée selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite paroi comprend : - desdits éléments de renfort discontinus (6) tels que lesdites zones dans une même direction longitudinale sont créés par des éléments de renfort discontinus distincts, et/ou - des éléments de renfort continus (7), tels que chaque élément de renfort continu comprend au moins deux dites zones dans une même direction longitudinale (XX').
3. 3. Elément unitaire de conduite sous-marine renforcée selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que l'augmentation de ladite distance radiale (d1) entre la surface extérieure de la conduite et l'axe longitudinal de ladite paroi est égale à 1/2 à 5 fois, de préférence de 1 à 3 fois, l'épaisseur de ladite paroi tubulaire dans sa partie courante.

   
4. 4. Elément unitaire de conduite sous-marine renforcée, selon l'une 1 des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que ladite paroi comprend une pluralité d'éléments de renfort discontinus annulaires (6) formant chacun une dite zone correspondant à une augmentation (d2) du diamètre extérieur (d1) de ladite conduite au niveau desdits éléments de renfort annulaires (6).
5. 5. Elément unitaire de conduite sous-marine renforcée, selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que ladite paroi comprend au moins

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   un élément de renfort continu hélicoïdal (7) réalisant au moins une portion de courbe d'hélice de même axe longitudinal (XX') que ladite paroi tubulaire.
6. 6. Elément unitaire de conduite sous-marine renforcée, selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que ladite paroi comprend au moins un dit élément de renfort hélicoïdal (7) continu qui s'étend sur la surface externe de ladite paroi en réalisant plusieurs révolutions.
7. 7. Elément unitaire de conduite sous-marine renforcée, selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que ladite paroi comprend plusieurs dits éléments de renfort hélicoïdaux coaxiaux parallèles entre eux (71, 72), de préférence de 2 à 4 dits éléments de renfort hélicoïdaux parallèles, de préférence encore au moins 2 éléments de renfort hélicoïdaux continus tels qu'ils comprennent desdites zones diamétralement opposées par rapport à l'axe de ladite paroi respectivement sur chacun des deux dits éléments hélicoïdaux (71, 72),
8. 8. Elément unitaire de conduite sous-marine renforcée, selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que chaque zone localisée correspondant à une augmentation (d2) de ladite distance radiale (d1) par rapport audit axe longitudinal (XX') s'étend dans ladite direction longitudinale sur une longueur (1) 2 à 10 fois l'épaisseur de la paroi dans ses portions tubulaires.
9. 9. Elément unitaire de conduite sous-marine renforcée, selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que lesdits éléments de renfort sont constitués par des profilés, rapportés sur la surface extérieure de ladite paroi créant une surépaisseur de ladite paroi au niveau desdites zones.
10. 10. Elément unitaire de conduite sous-marine renforcée, selon la revendication 9, caractérisé en ce que lesdits profilés sont des profilés métalliques de préférence soudés sur la surface extérieure d'une dite paroi tubulaire métallique ou en matériau composite, de préférence, un profilé à section rectangulaire ou trapézoïdale.
11. 11. Elément unitaire de conduite sous-marine renforcée, selon la revendication 9, caractérisé en ce que lesdits profilés sont des profilés en matériau composite de préférence collés sur la surface extérieure d'une dite paroi tubulaire métallique ou en matériau composite, de préférence, un profilé à section rectangulaire ou trapézoïdale.

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12. 12. Elément unitaire de conduite sous-marine renforcée, selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que lesdits éléments de renfort sont réalisés par des déformations créant un embossage de ladite paroi.
13. 13. Elément unitaire de conduite sous-marine renforcée, selon la revendication 12, caractérisé en ce que ladite déformation est réalisée par forgeage de la paroi métallique depuis l'intérieur de ladite conduite.
14. 14. Elément unitaire de conduite sous-marine renforcée, selon l'une des revendications 1 à 13, caractérisé en ce qu'il comprend : - au moins un dit élément de renfort hélicoïdal continu (7) dans sa partie centrale, et - au moins un, de préférence de 2 à 10, élément (s) de renfort discontinus annulaire (s) (6) entre au moins une extrémité dudit élément unitaire de conduite et ledit/lesdits élément (s) de renfort hélicoïdal (aux) continu (s) (7).
15. 15. Elément unitaire de conduite sous-marine renforcée, selon la revendication 14, caractérisé en ce que : - le ou lesdits éléments de renfort annulaires (6) sont réalisés par déformation par forgeage de ladite paroi, et - le ou lesdits éléments de renfort hélicoïdaux continus (7) sont des profilés rapportés à la surface de ladite paroi.
16. 16. Conduite sous-marine réalisée par raboutage, notamment par soudage, d'une pluralité d'éléments unitaires de conduite comprenant au moins un élément unitaire de conduite selon l'une des revendications 1 à 15.
17. 17. Ensemble de deux conduites coaxiales (9) comprenant une conduite externe (10) contenant une conduite interne (11) reliées entre elles par des liens mécaniques centreurs (13) constitués de préférence par des pièces en matériau plastique, de préférence encore en élastomère, l'espace (12) entre les deux dites conduites externe et interne comprenant de préférence un matériau isolant, caractérisé en ce que ladite conduite externe comprend au moins un élément de conduite unitaire renforcé ou une conduite selon l'une des revendications 1 à 16.
18. 18. Ensemble de deux conduites selon la revendication 16, caractérisé en ce que ladite conduite externe comprend un dit élément de conduite unitaire renforcée selon l'une des revendications 14 ou 15.

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19. 19. Faisceau de conduite (15) constitué par un dispositif d'isolation thermique de conduite sous-marine comportant : - un revêtement isolant thermique (17) entourant la/lesdites conduites sous-marines, - ledit revêtement étant recouvert d'une enveloppe étanche de protection (161,162), ladite enveloppe étant de forme tubulaire et présentant un axe longitudinal de symétrie et étant constitué de préférence d'un matériau souple ou semi-rigide apte à rester au contact de la surface extérieure dudit revêtement isolant lorsque celle-ci se déforme, caractérisé en ce que la/lesdites conduites sous-marines (1) contenues dans ledit faisceau de conduite (15) comprennent des éléments de conduite unitaire renforcée ou conduite selon l'une des revendications 1 à 16, ou des ensembles de deux conduites coaxiales (9) selon l'une des revendications 17 ou 18.