FR2837899A1 - Dispositif pour limiter le flambage lateral des nappes d'armures d'une conduite flexible - Google Patents

Abstract

Dispositif pour limiter le flambage latéral des nappes d'armures de traction d'une conduite flexible.Il est du type comprenant un dispositif pour limiter le flambage latéral des nappes d'armures de traction d'une conduite flexible sous-marine utilisable dans l'industrie pétrolière au large comprenant de l'extérieur vers l'intérieur au moins une gaine polymérique externe (1), une première couche de maintien (2) enroulée autour d'une nappe d'armure de traction supérieure (3), une nappe d'armure de traction inférieure (4) et une gaine polymérique interne (5), et il est caractérisé en ce qu'au moins une deuxième couche de maintien (8) présentant une raideur K2 déterminée est enroulée autour de chaque nappe d'armure de traction inférieure.Applications notamment aux colonnes montantes des productions pétrolières.

Description

2s

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DISPOSITIF POUR LIMITER L1: FLAMBAGE LATERAL DES

NAPPES D'ARMURES D'UNE CONDUITE FLEXIBLE

La présente invention concerne un dispositif pour limiter le flambage

latéral des nappes d'armures de traction d'une conduite flexible.

La conduite flexible concernée par la présente invention est notamment du type non liée et utilisée dans une exploitation en mer. Les conduites flexibles telles que défnies dans la recommandation API 17 J de l'American Petroleum Institute comprennent généralement une ou plusieurs couches polymériques et des couches de renfort métalliques telles que des nappes d'armures de traction, une carcasse et/ou une voûte de pression. La nature, le nombre, le dimensionnement et l'organisation de ces couches sont o essentiellement liés aux conditions d'utilisation des conduites flexibles concernces ainsi qu'à leur mise en place, comme cela est défmi dans la recommandation API 17 J. Lorsque la conduite flexible, quelle que soit sa nature, est soumise à une pression externe Pe qui est plus élevée que la pression interne, il peut se produire une compression axiale qui est connue comme étant l'effet de fond inverse. L'effet de fond inverse a tendance à comprimer les armures et à raccourcir la longueur de la conduite flexible et à augmenter le diamètre, cette augmentation de diamètre ayant pour conséquence de gonfler les armures qui, dans certaines conditions, par exemple en gaine externe non o étanche et que la conduite soit droite ou cintrée, peuvent flamber selon un mode radial et prendre la forme d'une "cage d'oiseau". Un autre mode de flambement des armures de traction dû à la sollicitation en compression qu'elles subissent avec l'effet de fond inverse est le flambement dit latéral qui peut survenir lors du cintrage de la conduite flexible et quel que soit l'état de la gaine externe. Ce flambement latéral s'accompagne souvent d'un chevauchement des fls d'armure d'une méme nappe qui, lorsqu'ils

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partent latéralement sous une contrainte trop importante, viennent

chevaucher le fil d'armure qui ieur est contigu.

Lorsque la gaine externe polymérique de la conduite flexible est percée pour une raison quelconque, la pression régnant dans l'annulaire qui s est délimité entre ladite gaine externe et la gaine de pression et dans lequel

sont disposées les armures de traction, est égale à la pression hydrostatique.

Dans ces conditions, la gaine externe n'est plus plaquée contre les arrnures de traction et le gonflement radial desdites armures de traction susceptible de se produire par suite de l'introduction de l'eau dans l'annulaire n'est plus

o empêché par la gaine externe.

Par ailleurs, le frottement existant entre les nappes d'arrnures engendré par la combinaison des effets de la pression externe et des sollicitations dynamiques sont susceptibles d'entrâîner une migration des fils et donc un accroissement localisé des jeux latéraux entre les fils d'une s même nappe d'armures. L'apparition de ces jeux conduit, dans certaines conditions, à un flambage latéral des fils d'armure et ce, quel que soit l'état

de la gaine externe.

Une des solutions qui a été adoptée pour réduire les risques de flambement radial en "cage d'oiscau" et/ou latéral ainsi que pour réduire le o gonflement des armures lié à l'effet de fond inverse, fut d'enrouler des rutans ou couches de fibres aramides tels que du "KEVLAR" autour de la dernière nappe d'armures. De cette manière, on autorisait ainsi un gonflement AR des nappes d'armures qui devait être inférieur à la moitié de l'épaisseur du dernier f1 d'armure. Ainsi, on limitait d'une part le s gonflement des nappes d'armures tout en réduisant d'autre part le risque de

chevauchement des nappes d'armures.

Toutefois, si cette solution permet de résoudre les problèmes liés au flambement radial, elle permet seulement de limiter le risque de flambement latéral qui perdure. En effet, en fonction des conditions d'utilisation de la conduite flexible et notamment lorsque cette dernière subit des contraintes statiques dues à l'effet de fond inverse combinées aux variations de courbure et aux sollicitations dynamiques de service, le phénomène de flambage latéral subsiste. Or, lorsqu'un fil d'armure se déplace latéralement par suite d'un flambage latéral, il entraîne les autres s fls d'armures de la nappe. Le résultat est que la conduite flexible est sinon

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détruite du moins rendue inutilisabie et il faut procéder à son changement car une réparation de la conduite flexible n'est pas envisageable

économiquement parlant.

Dans une conduite flexible comprenant une gaine extérieure étanche, s le frottement des nappes entre elles induit une pression de contact qui provoque un déplacement des fils d'armures, les spécialistes disant que les fils d'armure migrent. Par suite de ces déplacements successifs et répétés, les fils d'armures fmissent par devenir non élastiques en raison de la déformation plastique. Ces migrations des fls d'armures peuvent conduire o à la formation d'un petit jeu entre les spires successives et lors d'une compression ou raccourcissement de la conduite flexible, il se produit un

flambage latéral des armures ("lateral buckling" en anglais).

La présente invention a pour but de remédier aux inconvénients précités et de proposer une solution qui soit utilisable aussi bien dans une conduite flexible dénommée "Rough-bore" c'est-à-dire comprenant une carcasse métallique comme élément le plus interne, que dans une conduite flexible dénommée "Smooth-bore" dans laquelle l'élément le plus interne

est une gaine plastique.

La présente invention a pour objet un dispositif pour limiter un flambage latéral des nappes d'armures de traction d'une conduite flexible comprenant de l'extérieur vers l'intérieur une gaine polymérique externe, au moins une première couche de maintien de raideur K et enroulée autour d'une nappe d'armure supérieure, au moins une nappe d'armure inférieure, une voûte de pression et une gaine polymérique interne, et qui est 2s caractérisé en ce qu'au moins une deuxième couche de maintien présentant une raideur prédéterminée K2 est enroulée autour de la nappe d'armure . nféreure. Un avantage de la présente invention réside dans le fait que chaque nappe d'armure est empéchée de gonfler radialement quel que soit l'état de o la gaine polmérique externe et notamment lorsque celle-ci est non étanche, que cette non- étanchéité so it volontaire ou non, de s orte que le ris que de

flambage latéral des nappes d'armure est grandement réduit.

Selon une autre caractéristique de l' invention, la deuxième couche de maintien présente une raideur K2 qui est supérieure à la raideur K de la s première couche, de sorte qu'un jeu est ménagé entre la nappe d'armure

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supérieure et la deuxième couche de maintien lors du gonflement si ce dernier se produit. De la sorte, les deux nappes d'armure sont indépendantes l'une de l'autre et le frottement entre nappes d'armure qui peut se produire lors du cintrage de la conduite flexible, est sinon éliminé totalement, du s moins diminué fortement de sorte que le risque de flambage latéral est

grandement réduit.

Un autre avantage réside dans le fait que la raideur apparente totale KT de l'ensemble est supérieure à la somme des raideurs K: + K2. De cette manière, on utilise moins de matière pour les couches de maintien, ce qui o est appréciable d'un point de vue économique surtout lorsque les couches de maintien sont réalisées en "KEVLAR" qui est un matériau

particulièrement onéreux.

D'autres avantages et caractéristiques apparâîtront à la lecture d'un mode de réalisation de la présente invention ainsi que des dessins annexés s sur lesquels: La figure 1 est une vue en perspective partielle d'une conduite flexible munie du dispositif selon l'invention, la figure 2 est une vue en coupe longitudinale de la conduite de la

figure 1.

o La conduite représentée sur la figure 1 comprend, de l'extérieur vers l'intérieur, au moins une gaine polymérique externe d'étanchéité 1, une première couche de maintien 2 de raideur totale K et enroulée autour d'une nappe d'arrnure de traction supérieure 3, une nappe d'armure de kaction inférieure 4 et une gaine polymérique interne 5. Les nappes d'armures de s traction sont obtenues par enroulement à pas long d'un fl de forme métallique ou composite et dans des sens opposés. La structure d'une conduite flexible, comme celle décrite ci-dessus, est la plus simple qui puisse étre réalisée. En effet, les spécialistes savent que lorsque les angles d'armage des fls constituant les nappes d'armure supérieure 3 et inférieure so 4 sont proches de 55 , et en sens opposés, la présence d'une voûte de pression, comme celle représentée sur la figure 1 et référencée 6 n'est pas indispensable. De même, seules deux nappes d'arrnure 3 et 4 sont représentées, mais généralement d'autres nappes d'armure, peuvent être enroulées autour de l' axe longitudinal de la conduite. La nappe d' armure 3 s est dite supérieure car elle est la dernière, en partant de l'intérieur de la s 2837899 conduite, avant la gaine d'étanchéité externe 1. De la même façon, lorsqu'il est fait rétérence à une couche de maintien 2, cela signifie qu'elle peut être constituée de plusieurs bandes, bandelettes, rubans ou éléments unitaires enroulés à pas court de manière jointive et/ou les uns sur les autres, autour s de la nappe d'armure supérieure 3. Les éléments unitaires des couches de maintien présentent une forte résistance en traction longitudinale, suivant

leur axe longitudinal, et une faible résistance en compression longitudinale.

Une telle faible résistance en compression est souhaitée de manière à diminuer significativement les efforts de serrage radiaux des tensionneurs o de pose lors des différentes opérations de manutention de la conduite flexible. Ainsi, les éléments unitaires de maintien peuvent être réalisés dans divers matériaux appropriés, par exemple ils peuvent être formés à l'aide d'un tissé ou non tissé de fbres aramides. I1 est également possible d'utiliser un rub an textile plat constitué d'une section centrale sensiblement s rectangulaire et de deux bords longitudinaux plus minces que la section centrale tel que décrit dans la demande de brevet FR 01 10 818 de la Demanderesse. La gaine polymérique interne 5 entoure une carcasse métallique 7 qui est constituée par l'enroulement à pas court d'un feuillard agraLé ou d'un fil de forme autour de l'axe longitudinal et dont l' angle

o d'enroulement est proche de 80 à 90 .

La conduite flexible ainsi décrite, dans une structure simple, est dite "rough-bore" parce qu'elle est dotée d'une carcasse métallique 7 comme élément le plus interne. Si la conduite flexible ne comportait pas de carcasse métallique et comprenait la gaine polymérique 5 comme élément le plus s interne, alors elle serait dite "smooth-bore". Quel que soit le type de conduite flexible, le dispositif selon l'invention peut être mis en _uvre dans

ladite conduite flexible.

Selon l' invention, une deuxième couche de maintien 8 est disposoe autour de la nappe d'armure inférieure 4, ladite couche de maintien présentant une raideur K2 détermince. Bien entendu, lorsque la conduite flexible comprend plusieurs nappes d'armure situées au-dessous de la nappe d'armure supérieure 3, elles seraient considérées comme étant inférieures et autour de chacune d'elles serait enroulée une couche de maintien de raideur K déterminée, étant précisé que la raideur K pourrait 8tre identique pour 3s chacune des nappes d'armure inférieures ou différentes si cela était nécessaire. Dans le mode préféré de l'invention, la raideur K2 des couches de maintien inférieures par rapport à la première couche de maintien 2 considérce comme étant la couche de maintien supérieure est différente de la raideur K. De préférence, les couches de maintien 2 et 8 sont réalisées s dans un matériau très résistant tel que celui connu sous la dénomination "KEVLAR"et plus généralement dans une aramide. La raideur K d'une couche de maintien est la constante qui permet de relier le gonflement maximum de la nappe d'armure retenue par ladite couche de maintien par rapport à sa position initiale (jeu absolu AR) à la pression P qui s'exerce sur o la nappe d'armure et ce, en gaine non étanche pour une conduite flexible droite. On a ainsi la relation AR = P/K. La constante est. pour une structure donnée, fonction des angles d'armage des nappes d'armures et de rutannage de la couche de maintien ainsi que des quantités et des propriétés du matériau constituant les éléments unitaires constitutifs de la couche s utilisée. Elle est déterminée lors de la conception (design) de la conduite flexible, de manière à limiter le jeu AR au-dessous d'une valeur désirce "k"

fois l'épaisseur e du fil d'armure de la nappe, par exemple inférieur à 0, 3 e.

Ce jeu maximum est déterminé pour une conduite flexible droite. Lorsque la conduite est cintrée, ce jeu se distribue d'une manière non uniforne qui

o peut être calculé.

Ainsi, chaque nappe d'armure inférieure 4 étant rendue indépendante des autres par la couche de maintien qui l'entoure, le gonflement radial est sinon empéché, du moins limité à une valeur désirée et ce, quel que soit l'état de la gaine polymérique externe 1 et notamment en gaine percce. En effet, lorsque la gaine externe 1 est percée ou déchirée, l'eau pénètre dans la conduite flexible et une telle invasion de son annulaire entrane le gonflement radial des armures et favorise l'apparition de phénomènes liés

au flambage latéral des armures de traction.

Lorsqu'un gonflement se produit pour une raison quelconque, par exemple sous l'effet de fond inverse, chaque nappe inférieure 4 est soit empêchée de gonfler soit limitée dans son gonflement par suite du serrage

que produit sur elle la couche de maintien adjacente.

Dans ce qui précède, lorsqu'il est fait rétérence à la raideur K, K ou K2 il faut comprendre que la raideur concernce est la raideur totale de la

couche de maintien.

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Dans le mode de réalisation, la raideur K2 de la couche de maintien inférieure 8 est supérieure à la raideur K de la couche de maintien supérieure 2. De manière générale et lorsque la conduite flexible comprend plusieurs couches de maintien comme c'est le cas lorsqu'il y a plus d'une nappe d'armures inférieure, chacune d'elles étant alors associée à une couche de maintien, la raideur des couches de maintien est décroissante de l' intérieur vers l' extérieur de la conduite flexible. En d'autres termes, la raideur de la couche de maintien la plus inférieure est supérieure à celle de la couche de mainti en consécutive qui est située au- des sus et ains; de suite o jusqu'à la couche de maintien supérieure 2 qui présente une raideur

inférieure à chacune des autres couches de maintien de la conduite flexible.

Ainsi, lors d'un gonflement radial des nappes d'armures, par exemple dû à l'effet de fond inverse, il se produit un jeu entre la couche de maintien et la nappe d'armure qui est située au-dessus d'elle. Ce léger jeu rend chaque sous-ensemble constitué par une couche maintien et une nappe d'armure inférieure associée quasi indépendant des autres sous-ensembles analogues et de la nappe d'armure supérieure 3. Du fait de la présence du jeu radial contrôlé entre les divers sous-ensembles, la nappe d'armure supérieure est retenue moins fortement que la nappe d'armure situce au

zo dessous et le jeu radial crée est contrôlé de sorte que, entre deux sous-

ensembles successifs, il soit au maximum égal à 30 % de l'épaisseur _ du fil d'armure. Ainsi, on obtient une structure dans laquelle les diverses nappes d'armures sont dissociées les unes des autres grâce à l'apparition du jeu radial, ce qui permet avantageusement de supprimer les interactions par frottement entre les nappes d'armures qui constituent, comme rappelé précédemment, un risque important de flambage latéral. De plus, les nappes d'armures étant enserrées dans les couches de maintien, il s'ensuit que le risque de chevauchement des fls d'armures d'une même nappe est très fortement réduit pour ne pas dire complètement éliminé. Dans le cas o les o raideurs K et K2 seraient identiques, les nappes d'armures gonfleraient du même AR par rapport à leur position initiale. Elles resteraient donc séparées uniquement par la couche de maintien (même déplacement et donc aucun jeu radial n'est crée). Toutefois, les nappes d'armures seraient retenues indépendamment les unes des autres réduisant ainsi les pressions de contact entre elles et donc les phénomènes de migration dans une même nappe

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d'armures et par conséquent les risques de flambage latéral. Comme on

peut le constater, la présente invention peut étre défnie par deux aspects.

Le premier aspect concerne la réduction des pressions de contact entre les armures qui est une cause du flambage latéral, étant précisé que cette réduction est obtenue méme lorsque K = K2 comme cela a été précisé précédemment. Le deuxième aspect concerne le maintien du jeu AR' qui est le jeu relatif entre chaque nappe d'armures lors du gonflement radial (gaine percée et conduite flexible droite) et qui est différent du jeu AR qui est le jeu absolu par rapport à la position initiale avant gonflement. Le jeu AR' est o maintenu au-dessous d'une valeur déterminée qui est fixée de manière préférentielle, à 30 % de l'épaisseur e du f1 d'armure. Le maintien du jeu inférieur à 30 % de l'épaisseur e a pour but de réduire les risques de chevauchement dans une même nappe y compris lorsque la conduite

flexible est cintrée.

Un autre aspect intéressant de la présente invention est que la quantité QTI totale de "KEVLAR" nécessaire pour maintenir chaque nappe d'armures est inférieure à la quantité QTA qui était nécessaire dans la solution de l'art antérieur. En effet, la couche de maintien unique, constituée par une ou plusieurs couches superposées et enroulées autour de o la nappe d'armures supérieure devait empêcher un gonflement de la dernière nappe d'armures supérieure à n fois e et, de préférence, inférieure à 0,3 e. Dans ces conditions, il était indispensable d'utiliser une quantité de produit QTA qu'on peut considérer comme étant égale à un multiple de la quantité unitaire pour empécher le gonflement de chaque nappe supérieure s à 0,3 e. En d'autres termes, si Qi est nécessaire pour chaque nappe d'arrnures, la quantité totale QTA est égale à 2 Qi. En raison de la dissociation des sous-ensembles- selon la présente invention, il faut une quantité de produit par exemple égale à Qi pour bloquer la nappe d'armures inférieure et n'autoriser qu'un gonflement inférieur à 0,3 e. Pour la nappe o d'armures située immédiatement au-dessus, la quantité de produit Q'i est moindre puisque le gonflement autorisé peut aller jusqu'à 0,6 e. Dès lors, la quantité totale QTI de produit nécessaire dans la présente invention est Qi + Q'i < 2 Qi puisque Q'i < Qi. Toutefois, il y a lieu de préciser que la quantité QTI nécessaire pour limiter le gonflement AR' relatif entre deux nappes d' arrnures à 3 0 % de l' épaisseur e est inférieure à la quantité QTA nécessaire

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dans l'art antérieur pour limiter le gonflement AR des nappes d'armures à % de l'épaisseur e et ce, pour une même structure donnée de la conduite

flexible et dans les mêmes conditions.

Cela revient à dire que la raideur apparente totale KT des couches de s maintien est supérieure à la somme des raideurs K+ K2 +... Kn de chaque couche de maintien. De la sorte, on utilise moins de "KEVLAR" autour de chaque couche de maintien. Un arrangement considéré comme optimal est celui pour lequel K2 = 2K: et qui conduit à avoir un même jeu relatif entre

les sous-ensembles.

o Les légers jeux ou intervalles qui peuvent apparaître entre les sous ensembles sont inférieurs à 50 % de l'épaisseur_ de la nappe d'armure la plus mince et de prétérence, inférieurs à 0,3 e. Comme il a été rappelé ci dessus, chaque couche de maintien peut être constituée par plusieurs couches ou éléments unitaires superposés les uns sur les autres. Dans ce cas, on choisit la tension dans chaque élément unitaire de la couche de maintien de sorte qu'elle soit inférieure à 50 % de la tension de rupture

dudit élément unitaire.

I1 va de soi qu'on peut mélanger la nature des éléments unitaires au

sein d'une même couche.

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Claims (7)

REVENDICATIONS

1. Dispositif pour limiter le flambage latéral des nappes d'arrncres de traction d'une conduite flexible sous-marine utilisable dans l'industrie pétrolière au large comprenant de l'extérieur vers l'intérieur au moins une o gaine polymérique externe (1), une première couche de maintien (2) enroulée autour d'une nappe d'armure de traction supérieure (3), une nappe d'armure de traction inférieure (4) et une gaine polymérique interne (5), caractérisé en ce qu'au moins une deuxième couche de maintien (8) présentant une raideur K2 déterminée est enroulée autour de chaque nappe

d'armure de traction inférieure.

2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la première couche de maintien (2) présente une raideur K qui est différente de la

raideur K2 de ladite deuxième couche de maintien (8).

3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que la raideur o K2 de la deuxième couche de maintien (8) est supérieure à la raideur K de

la première couche de maintien (2).

4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'entre deux sous-ensembles consécutifs et constitués chacun par une nappe d'arrnures inférieure (4) et une couche de maintien (8) se produit un jeu radial lors du

s gonflement du sous-ensemble le plus inférieur, de sorte que les sous-

ensembles sont dissociés les uns des autres et séparés par ledit jeu radial.

S. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que le jeu radial est inférieur à 0,3 e, e étant l'épaisseur du fil d'armure utilisé dans la nappe

d'armure du sous-ensemble considéré.

o 6. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que

chaque couche de maintien (2, 8) est constituée de plusieurs éléments unitaires enroulés autour de la nappe d'armure associée, chaque élément unitaire présentant, suivant son axe longitudinal, une forte résistance en

traction et une faible résistance en compression.

:5 7. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que

chaque élément unitaire de la couche de maintien (2, 8) est réalisé dans un

matériau tissé ou non tissé de fbres aramides.

8. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que

les couches de maintien (2, 8) sont réalisées dans une aramide telle que

celle connue sous la dénomination "KEVLAR".

9. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la conduite flexible est du type comprenant une carcasse métallique (7) comme élément

le plus interne.

Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la conduite flexible est du type comprenant une gaine polymérique (5) comme élément

le plus interne.

o 11. Dispositif selon l'une des revendications 5 à 7, caractérisé en ce que

la tension dans un élément unitaire d'une couche de maintien est inférieure

à 50 % de la tension de rupture dudit élément unitaire.

12. Conduite flexible sous-marine utilisable dans une exploitation pétrolière au large comprenant de l'extérieur vers l'intérieur, une gaine t5 polymérique externe (1), au moins deux nappes d'armures de traction supérieure (3) et inférieure (4), une première couche de maintien (2) de raideur K et disposée autour de la nappe d'armures de traction supérieure (3), et une gaine polymérique interne (5), caractérisée en ce qu'elle comprend en outre une deuxième couche de maintien (8) de raideur K2 et