FR3022292A1

FR3022292A1 - Raidisseur tubulaire regule thermiquement

Info

Publication number: FR3022292A1
Application number: FR1455485A
Authority: FR
Inventors: Cyril Holyst; Henri Morand; Cecile Izarn; Richard Daniell
Original assignee: Technip France SAS
Current assignee: Technip Energies France SAS
Priority date: 2014-06-16
Filing date: 2014-06-16
Publication date: 2015-12-18
Anticipated expiration: 2034-06-16
Also published as: WO2015193607A1; EP3155205B1; BR112016029331B1; EP3155205A1; BR112016029331A2; FR3022292B1; DK3155205T3

Abstract

L'invention concerne un raidisseur tubulaire (16) réalisé dans un matériau polymère et destiné à être installé autour d'une portion de conduite flexible (10) de transport des hydrocarbures pour limiter la courbure de ladite portion de conduite flexible. Ladite conduite flexible (10) fournit de l'énergie thermique audit raidisseur tubulaire (16) lorsque ladite conduite flexible transporte des hydrocarbures chauds, ledit raidisseur tubulaire (16) étant apte à dissiper l'énergie thermique fournie par ladite conduite flexible (10). Ledit matériau polymère est chargé de nanoparticules pour pouvoir dissiper l'énergie thermique.

Description

Raidisseur tubulaire régulé thermiquement La présente invention se rapporte à un raidisseur en matériau polymère destiné à être installé autour d'une conduite flexible de transport des hydrocarbures pour pouvoir en limiter la courbure. Un domaine d'application envisagé est notamment, mais non exclusivement, celui du transport des hydrocarbures chauds en milieu marin, par exemple à une température supérieure à 80 °C. Il en va par exemple de la remontée d'un hydrocarbure, d'une tête de puits sous-marine vers un ensemble de surface flottant d'exploitation pétrolière, telle qu'une plate-forme semi- submersible ou un FPSO « Floating Production Storage and Offloading ». Les conduites flexibles visées ici comprennent une ou plusieurs couches généralement métalliques de résistance à l'écrasement, une ou plusieurs couches en polymère pour isoler l'hydrocarbure vis-à-vis du milieu extérieur, des fils d'armure généralement métalliques enroulés en hélice sous forme de nappes croisées assurant la résistance à la traction, et une couche de protection extérieure en polymère. Ces conduites sont notamment décrites à travers les normes API 17J et API RP 17B publiées par l'American Petroleum Institute.

De telles conduites peuvent être endommagées lorsqu'elles fléchissent sous l'action de l'agitation du milieu marin et que leur rayon de courbure devient trop faible. Afin de pallier ce risque la conduite flexible est équipée d'un limiteur de courbure, ou « bending limiter » en langue anglaise, conforme aux exigences de l'Annexe B de l'API 17J. Le limiteur de courbure est un type d'équipement général englobant aussi bien les équipements spécifiques tels que les réducteurs de courbure, ou « bending restrictors » en anglais, et les raidisseurs de courbure, ou « bending stiffeners » en anglais. De préférence, la conduite flexible est équipée d'un raidisseur tubulaire de courbure. Le raidisseur de courbure présente un corps tubulaire élastique venu de moulage en polyuréthanne, destiné à autoriser un rayon de courbure minimal acceptable, ou « MBR », acronyme de l'expression anglaise Minimum Bending Radius, à la portion de conduite flexible susceptible de subir la flexion risquant de l'endommager. Cette portion correspond par exemple à l'extrémité de la conduite équipée d'un embout de raccordement assurant la liaison entre la conduite et ledit ensemble de surface flottant d'exploitation pétrolière flottant. Selon une variante, la portion équipée du raidisseur tubulaire est située sous la mer au niveau d'une connexion intermédiaire entre deux extrémités de conduite flexible. Et, selon une autre variante, c'est la portion située en partie basse de la conduite flexible, au niveau d'une structure sous-marine de connexion et d'exploitation de fluide, que l'on équipe un raidisseur tubulaire. De préférence, la portion située en partie basse de la conduite flexible est équipée d'un réducteur de courbure de type à vertèbres. Toutefois, il s'est avéré que le raidisseur en polyuréthanne vieillissait prématurément par hydrolyse au contact de l'eau de mer et sous l'action conjuguée de l'énergie thermique transmise par l'hydrocarbure chaud par l'intermédiaire de la conduite. En conséquence, le raidisseur perd de sa raideur. Aussi, il a été imaginé de faire en sorte de réduire la température moyenne du raidisseur en accélérant la dissipation d'énergie thermique accumulée. Pour ce faire, des canaux de circulation d'eau ont été ménagés au sein du raidisseur. On pourra notamment se référer au document FR 2 741 696 Ai, lequel décrit un raidisseur dans l'épaisseur duquel sont ménagés des canaux axiaux de circulation d'eau. Cependant, de tels canaux pour être efficaces doivent s'étendre longitudinalement dans l'épaisseur du raidisseur, ce qui peut avoir tendance à le fragiliser et à atténuer ainsi ses propriétés mécaniques. Aussi, un problème qui se pose et que vise à résoudre la présente invention, est de fournir un raidisseur tubulaire qui non seulement permette de dissiper l'énergie thermique qu'il reçoit de la conduite flexible, mais également, qui conserve ses propriétés mécaniques. Dans ce but, et selon un premier objet, la présente invention propose un raidisseur tubulaire réalisé dans un matériau polymère et destiné à être installé autour d'une portion de conduite flexible de transport des hydrocarbures pour limiter la courbure de ladite portion de conduite flexible, ladite conduite flexible fournissant de l'énergie thermique audit raidisseur tubulaire lorsque ladite conduite flexible transporte des hydrocarbures chauds, ledit raidisseur tubulaire étant apte à dissiper l'énergie thermique fournie par ladite conduite flexible. Ledit matériau polymère est chargé de nanoparticules pour pouvoir dissiper l'énergie thermique. Ainsi, une caractéristique de l'invention réside dans la mise en oeuvre de nanoparticules dans le matériau polymère de manière à accroître la conductivité thermique de ce dernier et partant, à favoriser la dissipation de l'énergie thermique lorsqu'il en reçoit. En outre, les nanoparticules sont disséminées de manière homogène à l'intérieur de la masse du polymère, ce qui ne nuit nullement aux propriétés mécaniques de celui-ci, qui les conserve alors intégralement. De la sorte, la température du raidisseur demeure en deçà d'une valeur limite, qui le préserve du vieillissement et de la dégradation chimique, et en particulier de l'hydrolyse. Selon un mode de mise en oeuvre de l'invention particulièrement avantageux, ledit matériau polymère est un polyuréthanne. De la sorte, le raidisseur présente des propriétés mécaniques d'élasticité parmi celles les plus élevés qu'un matériau synthétique peut présenter. En effet, l'allongement des matériaux polyuréthanne est de type élastique sur une grande amplitude, par exemple jusqu'à la rupture. Préférentiellement, lesdites nanoparticules sont des nanotubes des nano- rubans ou des nano-poudres. Les nano-tubes présentent des structures cristallines particulières, nanométriques, de forme tubulaire et creuse, composées d'atomes disposés régulièrement. Les nano-rubans sont par exemple obtenus par une opération d'ouverture ou coupure des nanotubes. Par exemple, les nano-rubans sont en graphène. Les nanoparticules peuvent se présenter sous la forme d'une poudre aisément dispersable dans un matériau polymère à mouler ou à injecter. Selon une variante de réalisation, lesdites nanoparticules sont en nitrure de bore. Par exemple, les nanoparticules sont en nitrure de bore hexagonal. Selon une autre variante de réalisation, les nanoparticules sont en nitrure d'aluminium. En comparaison des nanotubes de carbone, les atomes de carbone ont été remplacés par des atomes d'azote et de bore, ou d'azote et d'aluminium, alternativement. On obtient alors une meilleure conduction thermique et partant, on vient mieux dissiper l'énergie thermique que le raidisseur reçoit de la conduite flexible. Le type de nanoparticules dispersées dans le matériau polymère est déterminé lors de la phase de conception du raidisseur tubulaire afin qu'il réponde parfaitement à l'application désirée. En outre, le raidisseur tubulaire conforme à l'invention présente deux extrémités opposées et une paroi présentant une épaisseur décroissante de l'une desdites extrémités vers l'autre desdites extrémités. Ainsi qu'on l'expliquera ci-après plus en détail dans la description, une telle caractéristique permet de faire varier la raideur du raidisseur selon son axe longitudinale entre les deux extrémités. Le raidisseur présente une résistance à la déformation plus élevée dans les zones où la paroi est plus épaisse et à l'inverse, moins élevé lorsque la paroi est moins épaisse. De plus, ladite une desdites extrémités, où la paroi est la plus épaisse, présente une portion sensiblement cylindrique. De la sorte, les moyens de fixations sont plus aisés à mettre en oeuvre au niveau de cette extrémité. Aussi, avantageusement, le raidisseur tubulaire comprend en outre un organe de fixation monté soit sur ladite une desdites deux extrémités opposées, soit directement sur la structure de l'ensemble de surface flottant d'exploitation à laquelle la conduite flexible est reliée. De préférence, ledit organe de fixation comprend une bague insérée à l'intérieure de ladite une desdites deux extrémités opposées. Le raidisseur tubulaire est par exemple moulé d'une seule pièce. Il peut aussi être moulé en deux parties, comme divulgué dans la demande internationale W098/41729. Avantageusement, il est surmoulé sur la bague formant organe de fixation de manière à obtenir une meilleure solidarisation de la bague et du raidisseur tubulaire. Selon un autre objet, la présente invention concerne une conduite flexible de transport des hydrocarbures présentant une portion d'extrémité équipée d'un embout de raccordement, et elle comprend, avantageusement, un raidisseur tubulaire selon les caractéristiques précitées, ledit raidisseur tubulaire étant fixé audit embout. De la sorte, on vient limiter la courbure de la conduite flexible au voisinage de l'embout de raccordement qui, lui, est de préférence maintenu en position fixe, tandis que la conduite flexible est, elle, susceptible d'être entraînée en mouvement. De la sorte, on vient limiter le risque d'endommagement de la conduite au voisinage de l'embout de raccordement. D'autres particularités et avantages de l'invention ressortiront à la lecture 5 de la description faite ci-après d'un mode de réalisation particulier de l'invention, donné à titre indicatif mais non limitatif, en référence aux dessins annexés sur lesquels : - l'unique Figure est une vue schématique en coupe axiale d'un raidisseur tubulaire conforme à l'invention installé autour d'une conduite flexible. 10 La Figure 1 illustre partiellement une conduite flexible 10 tubulaire présentant une extrémité 12 équipée d'un embout de raccordement 14, lequel est rigide. Il est par exemple réalisé en acier. L'embout de raccordement 14 et l'extrémité 12 de la conduite flexible 10 sont engagés à l'intérieur d'un raidisseur tubulaire 16 conforme à l'invention. 15 La conduite flexible 10 comporte des couches métalliques et des couches en matériau polymère non représentées sur la figure. De préférence, de l'intérieur vers l'extérieur, elle comprend, une carcasse métallique faite d'un ruban métallique agrafé en spirale, une gaine d'étanchéité en matériau polymère, une voûte de pression faite d'un fil métallique enroulé a pas courts 20 en spires jointives, au moins une couche d'armure de traction faite d'une pluralité de fils métalliques enroulés à pas long et une gaine de protection en matériau polymère. Ainsi, de par sa construction la conduite 10 est flexible. L'extrémité 12 de la conduite flexible 10 est sertie dans l'embout de raccordement 14 de façon à, d'une part rendre étanche la liaison entre 25 l'extrémité 12 et l'embout de raccordement et d'autre part, à pouvoir reprendre les efforts de traction notamment par le biais de la couche d'armure de traction. L'embout de raccordement 14 est destiné à être connecté à l'extrémité d'une conduite rigide par exemple, laquelle est maintenue en position fixe par rapport à une installation marine. Ainsi, la conduite flexible 10 étendue dans le milieu 30 marin est par nature entraînée en mouvement au gré des courants par rapport à l'embout de raccordement 14. Partant, le raidisseur tubulaire 16 est destiné à limiter la courbure de la conduite flexible 10 au voisinage de son extrémité 12.

Le raidisseur tubulaire 16 présente une extrémité de fixation 18, sensiblement cylindrique, et une extrémité libre 20, opposée à l'extrémité de fixation 18. Entre les deux extrémités de fixation 18 et libre 20, le raidisseur tubulaire 16 présente une portion centrale 22 sensiblement conique. Aussi, l'épaisseur de la paroi du raidisseur tubulaire 16, entre une surface interne 24 sensiblement cylindrique et une surface externe 26 conique, est décroissante de l'extrémité de fixation 18 vers l'extrémité libre 20 de manière à augmenter son inertie mécanique. On observera que le diamètre de la surface interne 24 cylindrique de la portion centrale 22 du raidisseur 16 est sensiblement égal, au jeu fonctionnel près, au diamètre externe de la conduite flexible 10. Le raidisseur tubulaire 16 présente une longueur comprise par exemple entre 2 m et 10 m, et plus précisément, selon une variante de réalisation, de 4 m. Aussi, l'épaisseur de la paroi varie par exemple de 5 cm jusqu'à 50 cm, de l'extrémité libre 20 jusqu'à l'extrémité de fixation 18.

Le raidisseur tubulaire 16 est préférentiellement moulé d'une seule pièce dans un matériau polymère, et avantageusement en polyuréthanne. Conformément à l'invention, le matériau polymère est chargé de nanoparticu les permettant de pouvoir dissiper l'énergie thermique comme on l'expliquera ci-après. Le polyuréthanne présente l'avantage d'avoir une bonne tenue aux hydrocarbures et aux solvants aliphatiques, et au surplus, ses propriétés mécaniques et en particulier élastiques sont remarquables. Le polyuréthanne est par exemple élaboré par copolymérisation entre un prépolymère et un allongeur de chaîne, le prépolymère étant lui-même obtenu par réaction entre un di-isocyanate et un glycol (ou polyol).

Le di-isocyanate est par exemple un di-isocyanate de toluylène (TDI) ou un di-isocyanate de diphénylméthane (MDI). Le glycol est par exemple choisi parmi les familles des polyéthers ou des polyesters. Aussi, l'allongeur de chaîne est un soit une amine, soit un alcool. Préférentiellement, le polyuréthanne utilisé pour l'invention est élaboré par opération de moulage d'un prépolymère obtenu par copolymérisation entre un diisocyanate de toluylène (TDI) avec une polyester et d'une amine du type méthylène bis orthochloroaniline (MBOCA).

Ce type de polyuréthanne possède une densité comprise entre 1g/cm3 et 1,30g/cm3. La dureté des raidisseurs mesurée est comprise entre 40 shore D (ou 90 shore A), selon que l'on utilise un raidisseur de courbure ou un réducteur de courbure. Des additifs tels que des plastifiants peuvent être ajoutés au polyuréthanne si l'on souhaite influer sur sa dureté. En outre, il possède une grande stabilité thermique puisqu'il est prévu pour résister sur une large plage de températures comprise entre quelques degrés Celsius, de l'ordre de 4°C et 60°C voir 80°C au maximum, pendant de longues périodes d'environ vingt ans.

D'autres polyuréthannes présentant une plus grande rigidité peuvent être utilisés pour la réalisation de réducteurs de courbure de type à vertèbres, ou « bending restrictor », afin de répondre au critère de chargement que ce type d'équipement peut être amené à supporter. En effet, les polyuréthannes utilisés pour la réalisation des raidisseurs tubulaires présentent, d'une part un allongement à la rupture généralement supérieur à 300% et d'autre part, un comportement élastique précisément jusqu'à cette rupture. De la sorte, grâce à ces propriétés, la résistance en flexion du raidisseur s'accroît en allant de l'extrémité libre 20 vers l'extrémité de fixation 18, car l'épaisseur de la paroi du raidisseur tubulaire 16 est croissante.

Partant, la courbure de la conduite flexible 10 au voisinage de son extrémité 12 est limitée, et ce, progressivement à mesure que l'on se rapproche de l'extrémité 12. Le raidisseur tubulaire 16 comprend en outre une bague de fixation 28 insérée à l'intérieur de l'extrémité de fixation 18. La bague de fixation 28 est conformée de manière à recevoir par coopération de forme, l'embout 14 de la conduite 10, précisément afin d'assurer la fixation du raidisseur tubulaires 16 au niveau de l'embout 14. De préférence, le raidisseur tubulaire 16 est moulé sur la bague de fixation 28. Le matériau polymère avec lequel est moulé le raidisseur tubulaire 16 est chargé de nanoparticules de manière à pouvoir évacuer l'énergie thermique transmise par l'hydrocarbure chaud traversant la conduite flexible 10. En effet, fréquemment, lorsque l'hydrocarbure est extrait à grandes profondeurs, dans le fond marin, sa température excède couramment 100 °C. Partant, l'hydrocarbure chaud transmet à la conduite cette énergie thermique qu'il renferme et partant, elle se transmet par conduction au raidisseur tubulaire 16. La mise en oeuvre d'un matériau polymère chargé de nanoparticules, permet au raidisseur tubulaire 16 d'évacuer rapidement l'énergie thermique qu'il reçoit et ainsi, évite qu'il ne soit porté à des températures élevées. Cela permet de le préserver d'une dégradation précoce. En outre, l'amélioration de la conductivité thermique du raidisseur tubulaire 16 couplé au fait qu'il est également refroidi par l'eau de mer lui assure une température de structure sensiblement identique à celle de l'eau de mer. De ce fait, sa raideur en est 10 augmentée et partant, la fabrication de raidisseur tubulaire avec des dimensions réduites par rapport à ceux fabriqués aujourd'hui est envisageable. L'utilisation d'un tel matériau pour la fabrication de conduite flexible sous-marine pour le transport de fluides d'hydrocarbures, plus particulièrement pour la réalisation d'une gaine externe d'étanchéité ou une gaine de protection d'une 15 telle conduite est tout à fait envisageable. De la sorte, l'énergie thermique dégagée par ledit fluide est rapidement évacuée vers le(s) raidisseur(s) tubulaire(s) équipant les extrémités de la conduite flexible ou directement vers le milieu marin environnant pour les tronçons de conduite non équipés de raidisseur tubulaire. En outre, un tel matériau peut aussi servir à la fabrication 20 de réducteurs de courbure, ou « bending restrictors ». Selon une première variante de réalisation les nanoparticules mise en oeuvre sont des nanotubes de nitrure de bore. Ils présentent l'avantage d'avoir une très bonne résistance à la chaleur. Et au surplus, ils permettent de favoriser la dissipation d'énergie thermique.

25 La mise en oeuvre du matériau selon la présente invention comprend une opération de mélange des nanoparticules à l'un des deux composés entrant en jeu dans la réaction de copolymérisation du polyuréthanne telle que décrite ci-dessus, à savoir soit le prépolymère, soit l'allongeur de chaîne. En mélangeant les nanoparticules en amont de l'étape de réaction des deux composés 30 ensemble, cela permet d'obtenir une répartition plus homogène des nanoparticules. Le pourcentage de nanoparticules introduites dans l'un des deux composés est déterminé en fonction des propriétés de conduction thermique, et/ou des propriétés mécaniques, souhaitées ainsi que de la température de l'eau de mer et du fluide d'hydrocarbure circulant au sein de la conduite flexible 10. En effet, à grande profondeur, la température de l'eau de mer est de l'ordre de quelques degrés Celsius ce qui permet au raidisseur tubulaire 16 d'évacuer plus d'énergie thermique. A contrario, lorsque le raidisseur tubulaire 16 est localisé près de la surface, la température de l'eau de mer est plus élevée. De la sorte, le raidisseur tubulaire 16 situé à de grandes profondeurs ne nécessitera pas l'introduction d'un pourcentage élevé de nanoparticules dans son corps en polyuréthanne tandis qu'un raidisseur tubulaire 16 situé proche de la surface aura un corps en polyuréthanne comprenant un pourcentage plus élevé en nanoparticules. Pour obtenir un polyuréthanne suffisamment conducteur thermiquement et répondant aux propriétés recherchées, on introduit préférentiellement entre 1% et 10% de nanoparticules et notamment on introduit un pourcentage inférieur 5%. Selon une autre variante de réalisation de l'invention, on met en oeuvre des nanotubes de nitrure d'aluminium, des nanotubes de nitrure de bore hexagonal ou encore des nanotubes de carbone ou encore des nano-rubans en graphène. Les particules réalisées en nitrure d'aluminium présentent l'avantage d'avoir une conductivité thermique équivalente à 285 W/m.K. En outre, les particules en nitrure de bord hexagonal présentent une conductivité thermique comprise entre 1700 et 2000 W/m.K. Aussi, de manière non limitative, de telles nanoparticules peuvent être dispersées au sein d'autres types de matériaux polymériques, tels que du polypropylène, du nylon ou encore des caoutchoucs naturels ou siliconés pour la réalisation de tout ou partie des éléments que comporte un réducteur de courbure, ou « bending restrictor ». Bien entendu, les modes de réalisation décrit précédemment ne sont donnés qu'à titre d'exemple non limitatif. D'autres variantes d'exécution peuvent être réalisées sans pour autant sortir du cadre de l'invention.

Claims

REVENDICATIONS1. Raidisseur tubulaire (16) réalisé dans un matériau polymère et destiné à être installé autour d'une portion de conduite flexible (10) de transport des hydrocarbures pour limiter la courbure de ladite portion de conduite flexible, ladite conduite flexible (10) fournissant de l'énergie thermique audit raidisseur tubulaire (16) lorsque ladite conduite flexible transporte des hydrocarbures chauds, ledit raidisseur tubulaire (16) étant apte à dissiper l'énergie thermique fournie par ladite conduite flexible (10) ; caractérisé en ce que ledit matériau polymère est chargé de nanoparticules pour pouvoir dissiper l'énergie thermique.
2. Raidisseur tubulaire selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit matériau polymère est un polyuréthanne.
3. Raidisseur tubulaire selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que lesdites nanoparticules sont des nanotubes.
4. Raidisseur tubulaire selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que lesdites nanoparticules sont des nano-poudres.
5. Raidisseur tubulaire selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que lesdites nanoparticules sont en nitrure de bore.
6. Raidisseur tubulaire selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que lesdites nanoparticules sont en nitrure d'aluminium.
7. Raidisseur tubulaire selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que lesdites nanoparticules sont des nano-rubans.
8. Raidisseur tubulaire selon la revendication 7, caractérisé en ce que lesdits nano-rubans sont en graphène.
9. Raidisseur tubulaire selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce qu'il présente deux extrémités opposées (18, 20) et une paroi présentant une épaisseur décroissante de l'une desdites extrémités (18) vers l'autre desdites extrémités (20).
10. Raidisseur tubulaire selon la revendication 9, caractérisé en ce que ladite une desdites extrémités (18) présente une portion sensiblement cylindrique.
11. Raidisseur tubulaire selon la revendication 9 ou 10, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un organe de fixation montée sur ladite une desdites deux extrémités opposées (18).
12. Raidisseur tubulaire selon la revendication 11, caractérisé en ce que ledit organe de fixation comprend une bague (28) insérée à l'intérieure de ladite une desdites deux extrémités opposées (18).
13. Raidisseur tubulaire selon l'une quelconque des revendications 1 à 12, caractérisé en ce qu'il est moulé d'une seule pièce.
14. Conduite flexible (10) de transport des hydrocarbures présentant une portion d'extrémité équipée d'un embout de raccordement (14), caractérisée en ce qu'elle comprend un raidisseur tubulaire (16) selon l'une quelconque des revendications 1 à 13, ledit raidisseur tubulaire étant solidaire dudit embout (14).15