FR3104667A1 - Conduite flexible sous-marine comprenant une couche comprenant du polyméthylpentène - Google Patents
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Abstract
Conduite flexible sous-marine comprenant une couche comprenant du polyméthylpentène La demande concerne une conduite flexible sous-marine destinée au transport d’hydrocarbures comprenant, de l'extérieur vers l'intérieur de la conduite : - une couche polymérique comprenant un polymère poly(4-méthylpent-1-ène), - au moins une nappe d'armures de traction (12,14) en tant que couche de renforcement, - une gaine polymérique interne d'étanchéité (20), son procédé de préparation. Figure pour l'abrégé : 1
Description
La présente invention concerne une conduite flexible sous-marine destinée au transport des hydrocarbures en eau profonde. Ces conduites flexibles peuvent être utilisées à grande profondeur, typiquement jusqu’à 3000 mètres de profondeur. Elles sont susceptibles d'être utilisées sous fortes pressions, supérieures à 100 bars, voire jusqu’à 1000 bars, et/ou à des températures élevées, supérieures à 130°C, voire 170°C, pendant de longues périodes de temps, c'est-à-dire plusieurs années, typiquement 30 ans.
Les conduites flexibles sous-marines destinées au transport des hydrocarbures en eau profonde comprennent un assemblage de tronçons flexibles ou un seul tronçon flexible. Ces conduites flexibles comprennent une couche de renforcement métallique autour d’une gaine polymérique interne d'étanchéité, dans laquelle circulent les hydrocarbures. Elles comprennent typiquement, de l'extérieur vers l'intérieur de la conduite :
- une gaine polymérique externe d'étanchéité,
- au moins une nappe d'armures de traction en tant que couche de renforcement,
- une gaine polymérique interne d'étanchéité,
- éventuellement une carcasse.
La gaine polymérique externe d'étanchéité doit répondre à différentes fonctions qui sont notamment :
- la protection mécanique de la(es) nappe(s) d'armures de traction, notamment la protection aux chocs et frottements auxquels la conduite flexible pourrait être confrontée lors de son installation ou de sa mise en service, et la résistance à l’usure, notamment en cas de contact et déplacement relatifs avec les équipements de pose,
- l’apport de raideur/de rigidité à la conduite flexible, notamment dans les zones très dynamiques pour limiter la courbure de la conduite flexible,
- la protection contre la pénétration de l’eau de mer au sein de l’annulaire afin d’éviter la corrosion des fils métalliques,
- la capacité à assurer la résistance aux efforts circonférentiels (« hoop stress » en anglais) dus à la pression des gaz remplissant l’annulaire,
- l’isolation thermique, car pour faciliter les exploitations des gisements, l’espace interne doit être à une température supérieure à la température de formation des hydrates et paraffines.
Différents matériaux ont été sélectionnés pour répondre aux diverses fonctions de la gaine polymérique externe d'étanchéité. Ces matériaux sont principalement des polyamides (PA), des polyéthylènes (PE) et des polymères thermoplastiques élastomères (TPE). En fonction des conditions d’application de la conduite flexible, un matériau sera privilégié par rapport à un autre pour les performances recherchées comme par exemple la raideur, l’isolation thermique et l’étanchéité à l’eau de mer.
Les polyéthylènes sont sensibles à la formation d’entailles. Ils ne sont donc généralement pas utilisés pour la gaine externe en contact avec l’eau de mer pour des applications dynamiques à cause des risques d’endommagement lors de la manipulation des conduites. Pour les applications dynamiques, les gaines externes sont généralement limitées aux matériaux polymère thermoplastique élastomère ou polyamide.
Les polyamides sont principalement utilisés lors de requis spécifiques comme une très bonne résistance à l’usure.
A titre de matériau constitutif de la couche la plus externe en contact avec l’eau de mer, on privilégie les polymères thermoplastiques élastomères.
Chaque nappe d’armures de traction est formée de fils, généralement métalliques, posés avec un jeu qui crée ainsi un volume libre, appelé annulaire, entre la gaine polymérique externe d'étanchéité et la gaine polymérique interne d'étanchéité. L’annulaire peut être rempli:
- de gaz, comme le CO2et le H2S, et/ou de liquides, qui sont issus de l’espace interne («bore» en anglais) de la conduite et qui ont traversés la gaine polymérique interne d'étanchéité par perméabilité.
L’environnement de l’annulaire est donc un milieu acide et déoxygéné, très agressif, qui favorise la corrosion, la fatigue-corrosion et/ou la fissuration par corrosion sous tension («stress corrosion cracking» en anglais) des couches de renforcement métalliques présentes au sein de l’annulaire, réduisant ainsi leurs durées de vie, et donc celle de la conduite flexible.
Le caractère agressif, également nommé sévérité, est d'autant plus important que la quantité de CO2et de H2S qui diffuse de l’espace interne vers l’annulaire est importante.
En jouant sur la perméabilité des différentes gaines constituant une conduite flexible, il est possible de minimiser la sévérité de l’annulaire.
Une approche consiste à utiliser une gaine polymérique externe d'étanchéité perméable aux gaz afin de faciliter leur évacuation vers l’extérieur de la conduite. La demande FR 2420073 décrit notamment une canalisation pour le transport de pétrole brut présentant une résistance améliorée à la corrosion et comprenant, de l'extérieur vers l'intérieur de la conduite :
- une couche polymérique comprenant un caoutchouc au silicone de perméabilité élevée qui favorise l’écoulement des gaz,
- une couche de renforcement,
- une couche de matériau polymère.
Cependant, la conduite flexible décrite dans l’art antérieur est difficile à mettre en œuvre puisqu’une étape de vulcanisation est nécessaire lors de la préparation de la couche polymérique formée d’un caoutchouc au silicone.
Le développement de couche polymérique alternative permettant de désévériser l’environnement de l’annulaire pour limiter la corrosion de la couche de renforcement est recherché.
A cet effet, selon un premier objet, l’invention a pour objet une conduite sous-marine destinée au transport d’hydrocarbures, comprenant, de l'extérieur vers l'intérieur de la conduite :
- une couche polymérique comprenant un polymère poly(4-méthylpent-1-ène),
- au moins une nappe d'armures de traction en tant que couche de renforcement (généralement deux nappes d’armures de traction),
- éventuellement une voûte de pression,
- une gaine polymérique interne d'étanchéité,
- éventuellement une carcasse métallique.
La couche polymérique qui revêt la au moins une nappe d'armures de traction comprend un polymère poly(4-méthylpent-1-ène). Le poly(4-méthylpent-1-ène) est également nommé polyméthylpentène, et abrégé PMP ou TPX. Celui-ci peut être un homopolymère, un copolymère ou un mélange de ceux-ci (mélange d’un homopolymère et d’un copolymère, ou mélange de copolymères, ou mélange d’un homopolymère et de copolymères).
Lorsqu’il est sous forme de copolymère, c’est typiquement un copolymère statistique. Le comonomère du 4-méthylpent-1-ène est généralement une α-oléfine, comprenant notamment de 2 à 20, de préférence de 6 à 10 atomes de carbone. L’α-oléfine est par exemple choisie parmi l’éthylène, le propylène, le 1-butène, le 1-hexène, le 1-octène, le 1-décène, le 1-dodécène, le 1-tétradécène, le 1-hexadécène, le 1-octadécène et le 1-eicosène. Le copolymère peut être issu du 4-méthylpent-1-ène et de plusieurs α-oléfines de natures différentes.
Le copolymère poly(4-méthylpent-1-ène) comprend de préférence de 80 à 99,9% en poids, notamment de 90 à 99,9% en poids d’unités issues du 4-méthylpent-1-ène, et de 0,01 à 20% en poids, de préférence de 0,01 à 10% en poids d’unités issues d’α-oléfine(s). De telles proportions permettent d’obtenir un copolymère ayant une résistance thermique améliorée par rapport à un copolymère dont la teneur en unités issues du 4-méthylpent-1-ène est moindre.
Le polymère poly(4-méthylpent-1-ène) a l’avantage de ne pas avoir de groupes chimiques hydrolysables comme les polyamides, et d’avoir un point de fusion élevé, ce qui permet une utilisation de la conduite flexible à très haute température (température des hydrocarbures transportés supérieure à 130°C, notamment supérieure à 150°C, parfois même supérieure à 180°C).
Le polymère polyméthylpentène est constitué d’atomes de carbone et d’hydrogène et possède des groupes pendants volumineux qui limitent les mouvements moléculaires, ce qui augmente le volume libre du polymère. Ceci permet d'obtenir un matériau à faible densité et donc plus perméable que les polyéthylènes ou les thermoplastiques élastomère vulcanisés («Thermoplastic rubber vulcanisate» TPV en anglais).
Le polymère poly(4-méthylpent-1-ène) a de préférence un indice de fluidité («melt flow rate» MFR ou «melt flow index» MFI en anglais), tel que mesuré selon la norme ASTM D1238-13 à 260°C sous une charge de 5,0 kg, de 0,1 à 200 g/10 min, de préférence de 1 à 150 g/10 min.
Le polymère poly(4-méthylpent-1-ène) peut être réticulé ou non réticulé.
Le TPXTMfourni par Mitsui Chemicals est par exemple utilisable. Le grade peut être sélectionné:
parmi les « mid-modulus » avec les références MX004 et DX324,
parmi les «Low -modulus » avec les références MX002 et MX0020, ou
parmi les « Opaque » avec les références DX560M et MLL411.
Une telle conduite flexible comprenant une couche comprenant un polymère poly(4-méthylpent-1-ène) permet avantageusement de désévériser l’environnement de l‘annulaire formé entre ladite couche polymérique et la gaine polymérique interne d'étanchéité, notamment en diminuant la quantité de CO2et/ou de H2S présent dans l’annulaire et donc en diminuant la corrosion induite par ces gaz. Le grand coefficient de perméation au CO2et au H2S du poly(4-méthylpent-1-ène) permet l’évacuation des gaz de l’annulaire vers l’extérieur, par traversée de la couche polymérique comprenant le poly(4-méthylpent-1-ène), plus rapide que l’arrivée de ces mêmes gaz dans l’annulaire, ces gaz étant issus des hydrocarbures transportée et traversant la gaine polymérique interne d'étanchéité en direction de l’annulaire.
Ainsi, dans une conduite flexible comprenant une couche comprenant un polymère poly(4-méthylpent-1-ène), les couches de renforcement métalliques sont moins soumises à la corrosion, ce qui prolonge la durée de vie de la(les) nappe(s) d’armures métallique(s) et de l’éventuelle voûte de pression métallique, et donc de la conduite flexible. Il est notamment possible d’utiliser des grades d'acier à plus hautes caractéristiques pour la(les) nappe(s) d’armures métallique(s) et l’éventuelle voûte de pression métallique.
En outre, la couche comprenant un polymère poly(4-méthylpent-1-ène) confère de l’isolation thermique à la conduite flexible, ainsi que de la flottabilité.
Quand la conduite flexible comprend plusieurs nappes d’armures, la couche polymérique revêt la plus externe des nappes d’armures.
La couche polymérique comprenant un polymère poly(4-méthylpent-1-ène) peut être adjacente à la au moins une nappes d’armure, ou bien la conduite flexible peut comprendre une ou plusieurs couches entre celles-ci.
Selon une première alternative, dans la conduite flexible, la couche polymérique comprenant un polymère poly(4-méthylpent-1-ène) est la gaine polymérique externe d'étanchéité. La conduite flexible comprend (voire est constituée de), de l'extérieur vers l'intérieur de la conduite :
- une gaine polymérique externe d'étanchéité comprenant un polymère poly(4-méthylpent-1-ène),
- au moins une nappe d'armures de traction en tant que couche de renforcement,
- éventuellement une voûte de pression,
- une gaine polymérique interne d'étanchéité,
- éventuellement une carcasse métallique,
et éventuellement une ou plusieurs couche(s) polymérique(s) intermédiaire(s) entre deux couches adjacentes (celle(s)-ci comprenant un polymère poly(4-méthylpent-1-ène) ou en étant exempte(s)).
Selon une deuxième alternative, dans la conduite flexible, la couche polymérique comprenant un polymère poly(4-méthylpent-1-ène) est une couche intermédiaire entre la gaine polymérique externe d'étanchéité et la(les) nappe(s) d’armures de traction. La conduite flexible comprend généralement (voire est constituée de), de l'extérieur vers l'intérieur de la conduite :
- une gaine polymérique externe d'étanchéité,
- une couche polymérique intermédiaire comprenant un polymère poly(4-méthylpent-1-ène),
- au moins une nappe d'armures de traction en tant que couche de renforcement,
- éventuellement une voûte de pression,
- une gaine polymérique interne d'étanchéité,
- éventuellement une carcasse métallique.
La gaine polymérique externe d'étanchéité peut alors comprendre un polymère poly(4-méthylpent-1-ène) ou en être exempte.
Tous les modes de réalisation qui suivent s’appliquent quel que soit l’alternative considérée.
Selon un premier mode de réalisation, la couche polymérique comprenant un polymère poly(4-méthylpent-1-ène) est une gaine polymérique, typiquement une gaine polymérique obtenue par (co)extrusion. Par «(co)extrusion», on entend extrusion ou coextrusion.
L’épaisseur de la gaine polymérique est alors de préférence entre 3 et 15 mm.
Le polymère poly(4-méthylpent-1-ène) de ce premier mode de réalisation a alors de préférence:
- un allongement à la rupture supérieur à 20%, celui-ci étant déterminé à 20°C selon ISO 527 de 2012 à 50 mm/min et pour une éprouvette de 4 mm d'épaisseur, et/ou
- une perméabilité au CO2à 40°C au moins 5 fois supérieure à celle d'un PE 100, et/ou
- un indice de fluidité tel que mesuré selon la norme ASTM D1238-13 à 260°C sous une charge de 5,0 kg, de 0,1 à 50 g/10 min.
Selon un deuxième mode de réalisation, la couche polymérique comprenant un polymère poly(4-méthylpent-1-ène) est un enroulement hélicoïdal, d'un ou plusieurs rubans, dont au moins un comprend un polymère poly(4-méthylpent-1-ène), ledit enroulement hélicoïdal formant des spires qui peuvent être partiellement ou totalement jointes entre elles, ou bien désolidarisées les unes des autres. Chaque ruban a généralement une épaisseur comprise entre 0,5 et 10 mm et/ou une largeur entre 40 et 130 mm. Cet enroulement hélicoïdal est de préférence à pas court.
Dans la présente demande, la notion d'enroulement à pas court désigne tout enroulement hélicoïdal selon un angle d'hélice proche de 90°, typiquement compris entre 75° et 90°. La notion d'enroulement à pas long recouvre quant à elle les angles d'hélice inférieurs à 60°, typiquement compris entre 20° et 60° pour une nappe d'armures.
Ce deuxième mode de réalisation est de préférence utilisé pour la deuxième alternative ci-dessus, dans laquelle la couche polymérique comprenant un polymère poly(4-méthylpent-1-ène) est une couche intermédiaire.
Le polymère poly(4-méthylpent-1-ène) de ce deuxième mode de réalisation a alors de préférence:
- un allongement à la rupture supérieur à 5%, celui-ci étant déterminé à 20°C selon ISO 527 de 2012 à 50 mm/min et pour une éprouvette de 4 mm d'épaisseur, et/ou
- un indice de fluidité tel que mesuré selon la norme ASTM D1238-13 à 260°C sous une charge de 5,0 kg, de 10 à 200 g/10 min.
Ce qui suit s’applique quel que soit l’alternative considérée (gaine polymérique externe d'étanchéité ou couche polymérique intermédiaire comprenant le polymère poly(4-méthylpent-1-ène) et que la couche polymérique comprenant le polymère poly(4-méthylpent-1-ène soit sous forme de gaine polymérique ou d’enroulement hélicoïdal de ruban(s).
La couche polymérique comprenant un polymère poly(4-méthylpent-1-ène) peut être monocouche.
La couche polymérique comprenant un polymère poly(4-méthylpent-1-ène) peut être multicouches. Au moins l’une de ses couches comprend alors un polymère poly(4-méthylpent-1-ène), et de préférence, il s’agit de la couche la plus externe. Cela permet de minimiser le risque d’accumulation de gaz à l’interface entre la couche comprenant le polymère poly(4-méthylpent-1-ène) et sa couche adjacente au sein de la structure multicouches, car le polymère poly(4-méthylpent-1-ène) est plus perméable aux gaz que le polymère utilisé pour ladite couche adjacente. Par exemple, la couche polymérique comprenant un polymère poly(4-méthylpent-1-ène) est bicouches et est constitué d’une couche comprenant un polymère poly(4-méthylpent-1-ène) qui revêt une couche comprenant un polyéthylène.
Dans un autre exemple, la couche polymérique comprenant un polymère poly(4-méthylpent-1-ène) est multicouches, de préférence bicouches, et chaque couche comprend un polymère poly(4-méthylpent-1-ène). Ceci permet de conférer une meilleure isolation thermique et/ou une flottabilité améliorée à la conduite flexible.
La couche polymérique comprenant du poly(4-méthylpent-1-ène) peut comprendre un ou plusieurs additifs, tels que des antioxydants, anti-UV, charges de renfort, plastifiants, modifiants choc et/ou adjuvants de fabrication.
Généralement, la couche polymérique comprenant un polymère poly(4-méthylpent-1-ène) comprend au moins 50% en poids, notamment au moins 75% en poids, de préférence au moins 95% en poids de polymère poly(4-méthylpent-1-ène). Elle peut être constituée d’un polymère poly(4-méthylpent-1-ène) ou d’un mélange de polymère poly(4-méthylpent-1-ène), et d’un ou plusieurs additifs, notamment choisis parmi ceux listés ci-dessus.
La couche polymérique comprenant un polymère poly(4-méthylpent-1-ène) de la conduite comprend typiquement:
- une matrice polymérique, et
- éventuellement des composants dispersés de façon discontinue dans la matrice polymérique.
Par «matrice polymérique», on entend la phase continue polymérique qui forme la couche. La matrice polymérique est une matrice continue. La couche peut éventuellement comprendre des composants dispersés de façon discontinue dans la matrice polymérique, mais qui ne font pas partie de la matrice polymérique. De tels composants peuvent par exemple être des charges telles que des fibres.
La matrice polymérique de la couche est généralement obtenue par extrusion d’un ou de plusieurs polymères (qui formeront la matrice polymérique) et éventuellement d’additifs (mélange maître). Lors de l’extrusion, certains additifs sont incorporés dans la matrice polymérique, alors que d’autres ne se mélangent pas avec les polymères formant la matrice polymérique et se dispersent de façon discontinue dans la matrice polymérique, pour former des composants dispersés de façon discontinue dans la matrice polymérique.
Selon un premier mode de réalisation, la conduite comprend au moins une couche dont la matrice polymérique comprend un polymère poly(4-méthylpent-1-ène).
Selon ce mode de réalisation, la couche dont la matrice polymérique comprend un polymère poly(4-méthylpent-1-ène) est généralement obtenue par extrusion d’un ou de plusieurs polymères (qui formera(ont) la matrice polymérique), l’un d’eux étant du poly(4-méthylpent-1-ène), et éventuellement en présence d’additifs.
Les composants dispersés de façon discontinue dans la matrice polymérique peuvent éventuellement comprendre des polymères, par exemple du polymère poly(4-méthylpent-1-ène). Cela étant, une conduite flexible:
- comprenant une couche comprenant un composant dispersé de façon discontinue dans la matrice polymérique (notamment des charges telles que des fibres) comprenant ou composé de polymère poly(4-méthylpent-1-ène),
- mais dont la matrice polymérique est exempte de polymère poly(4-méthylpent-1-ène),
ne répond pas à la définition d’une conduite comprenant au moins une couche dont la matrice polymérique comprend un polymère poly(4-méthylpent-1-ène), telle que définie dans ce premier mode de réalisation.
Selon un deuxième mode de réalisation, la conduite comprend au moins une couche comprenant un composant dispersé de façon discontinue dans la matrice polymérique, ledit composant comprenant un polymère poly(4-méthylpent-1-ène).
Selon ce deuxième mode de réalisation, un composant dispersé de façon discontinue dans la matrice polymérique de la couche comprend un polymère poly(4-méthylpent-1-ène). Le composant peut être une charge telle qu’une fibre. Selon ce deuxième mode de réalisation, la matrice polymérique de la couche peut être exempte de polymère poly(4-méthylpent-1-ène).
Selon un troisième mode de réalisation, la conduite comprend au moins une couche comprenant un composant dispersé de façon discontinue dans la matrice polymérique, ledit composant comprenant un polymère poly(4-méthylpent-1-ène) et dont la matrice polymérique comprend un polymère poly(4-méthylpent-1-ène). Selon ce troisième mode de réalisation, le polymère poly(4-méthylpent-1-ène) est donc présent à la fois dans la matrice polymérique et dans un composant dispersé de façon discontinue dans la matrice polymérique.
En plus de la gaine polymérique externe d'étanchéité, la conduite comprend au moins une nappe d'armures de traction, une gaine polymérique interne d'étanchéité, et éventuellement une carcasse métallique, ces couches étant généralement telles que décrites dans les documents normatifs publiés par l'American Petroleum lnstitute (API), API 17J (4ème édition – Mai 2014) et API RP 17B (5ème édition – Mai 2014).
Si la conduite comprend une carcasse métallique, elle est dite à passage non lisse ("rough-bore" en langue anglaise). Si la conduite est exempte de carcasse métallique, elle est dite à passage lisse ("smooth-bore" en langue anglaise). La fonction principale de la carcasse métallique est de reprendre les efforts radiaux dirigés de l’extérieur vers l’intérieur de la conduite afin d’éviter l’effondrement (« collapse » en langue anglaise) de tout ou partie de la conduite sous l’effet de ces efforts. Ces efforts sont notamment liés à pression hydrostatique exercée par l’eau de mer lorsque la conduite flexible est immergée. Ainsi, la pression hydrostatique peut atteindre un niveau très élevé lorsque la conduite est immergée à grande profondeur, par exemple 200 bar lorsque la conduite est immergée à une profondeur de 2000 m si bien qu’il est alors souvent indispensable d’équiper la conduite flexible d’une carcasse métallique.
La carcasse métallique a aussi pour fonction d’empêcher l’effondrement de la gaine polymérique interne d’étanchéité lors d’une décompression rapide d’une conduite flexible ayant transporté des hydrocarbures. En effet, les gaz contenus dans les hydrocarbures diffusent lentement à travers la gaine polymérique interne d’étanchéité et se retrouvent en partie piégés dans l’espace annulaire compris entre la gaine polymérique interne d’étanchéité et la gaine polymérique externe d’étanchéité. Par suite, lors d’un arrêt de production engendrant une décompression rapide de l’intérieur de la conduite flexible, la pression régnant dans cet espace annulaire peut temporairement devenir nettement supérieure à la pression régnant à l’intérieur de la conduite, ce qui en l’absence de carcasse métallique conduirait à l’effondrement de la gaine polymérique interne d’étanchéité.
Généralement, pour le transport d’hydrocarbures, une conduite comportant une carcasse métallique est préférée, alors qu’une conduite exempte de carcasse métallique sera adaptée pour le transport d’eau et/ou de vapeur d’eau sous pression.
La carcasse métallique est constituée d’éléments longitudinaux enroulés hélicoïdalement à pas court. Ces éléments longitudinaux sont des feuillards ou des fils, généralement métalliques et de manière préférée en acier inoxydable, agencés en spires agrafées les unes aux autres. Avantageusement, la carcasse métallique est réalisée en profilant un feuillard en forme de S puis en l’enroulant en hélice de façon à agrafer entre elles les spires adjacentes.
La gaine polymérique interne d’étanchéité est destinée à confiner de manière étanche le fluide transporté au sein de la conduite flexible. Elle est formée en matériau polymère, par exemple à base d'une polyoléfine telle que du polyéthylène, du polypropylène ou du polyéthylène à résistance accrue (PERT), à base d'un polyamide tel que du PA11 ou du PA12, ou à base d'un polymère fluoré tel que du polyfluorure de vinylidène (PVDF). Le choix du matériau polymérique est généralement fonction des conditions de pression, de température et de la composition du fluide transporté.
Les nappes d'armures de traction sont constituées de fils métalliques, par exemple en acier ou en matériau composite enroulés selon des pas longs et ont pour fonction principale de reprendre les efforts axiaux liés d’une part à la pression interne régnant à l’intérieur de la conduite flexible et d’autre part au poids de la conduite flexible notamment lorsqu’elle est suspendue.
Les fils métalliques des nappes d’armures de traction sont avantageusement réalisés en acier dont le pourcentage massique de carbone est compris entre 0,1% et 0,8%.
La présence d’une couche de renforcement métallique supplémentaire destinée à reprendre les efforts radiaux liés à la pression interne, couche notamment appelée « voûte de pression », peut être remplacée par les nappes d’armures de traction dès lors que les angles d’hélice des fils constituant les nappes d’armures de traction sont proches de 55°. En effet, cet angle d’hélice particulier confère aux nappes d’armures de traction la capacité de reprendre, en plus des efforts axiaux, les efforts radiaux exercés sur la conduite flexible et dirigés de l’intérieur vers l’extérieur de la conduite.
De manière préférée et notamment pour les applications en grande profondeur, outre la(les) nappe(s) d’armures de traction, la conduite flexible comprend une voûte de pression intercalée entre la gaine polymérique interne d’étanchéité et la(les) nappe(s) d’armures de traction. Dans un tel cas, les efforts radiaux exercés sur la conduite flexible, notamment les efforts radiaux dirigés de l’intérieur vers l’extérieur de la conduite sont repris par la voûte de pression afin d’éviter l’éclatement de la gaine polymérique interne sous l’effet de la pression régnant à l’intérieur de la conduite. La voûte de pression est constituée d’éléments longitudinaux enroulés à pas court, par exemple des fils métalliques par exemple en acier, de section en forme de Z (zêta), C, T (téta), U, K ou X agencés en spires agrafées les unes aux autres. Avantageusement, le pourcentage massique de carbone de l’acier des fils métalliques de la voûte de pression est compris entre 0,1% et 0,8%.
Avantageusement, la conduite flexible est non liée, c’est-à-dire que ses couches de renforcement, telles que la(les) nappe(s) d’armures de traction et/ou la voûte de pression, sont non liées à la(aux) couche(s) polymérique(s) adjacente(s), telles que la gaine polymérique interne d’étanchéité et/ou la gaine polymérique externe d’étanchéité et/ou toute couche polymérique tubulaire composant la conduite flexible. Par «non lié», on entend que les couches de renforcement sont libres de se déplacer par rapport aux couches polymériques. Typiquement, les couches de renforcement de la conduite flexible ne sont pas noyées («embedded» en anglais) dans une gaine polymérique ou élastomérique. De même, il n’y a de préférence pas d’adhésif entre les couches de renforcement et la(les) couche(s) polymérique(s) adjacentes.
La gaine polymérique externe d’étanchéité de la conduite flexible est typiquement tubulaire, a généralement un diamètre de 50 mm à 600 mm, de préférence de 50 mm à 400 mm, et/ou une épaisseur de 2 mm à 150 mm, préférentiellement de 3 mm à 15 mm et/ou une longueur de 1 m à 10 km.
Dans un mode de réalisation, la gaine polymérique externe d'étanchéité est susceptible d’être en contact avec l’eau de mer. Par « gaine polymérique susceptible d’être en contact avec l’eau de mer », on entend que la gaine entre en contact avec l’eau de mer lorsque la conduite est mise en service. Ainsi, la conduite ne comprend pas de couche tubulaire externe (c’est-à-dire de couche étanche à l’eau de mer) qui s’opposerait au contact entre l’eau de mer et la gaine polymérique externe d'étanchéité. Typiquement, la gaine polymérique externe d'étanchéité de la conduite n’est pas revêtue par un tube métallique ou par une couche tubulaire polymérique. De préférence, la gaine polymérique externe d'étanchéité est ainsi la couche la plus externe de la conduite.
Dans un autre mode de réalisation, la gaine polymérique externe d'étanchéité est revêtue d’une couche supplémentaire. Cette couche supplémentaire est par exemple une couche tubulaire polymérique, qui permet de protéger la gaine polymérique externe d'étanchéité, ou bien un tube métallique, qui rend la conduite flexible plus rigide notamment dans les zones très dynamiques. Cette couche supplémentaire est alors la couche la plus externe, celle en contact avec l’eau de mer lorsque la conduite est en service.
La nature, le nombre, le dimensionnement et l'organisation des couches constituant les conduites flexibles sont essentiellement liés à leurs conditions d'utilisation et d'installation. Bien sûr, la conduite peut comprendre une ou plusieurs couches tubulaires (métalliques et/ou polymériques) en plus de la gaine polymérique externe d'étanchéité, de la(des) nappe(s) d'armures de traction, de la gaine polymérique interne d'étanchéité et de l’éventuelle carcasse métallique, par exemple :
- une couche de maintien entre la gaine polymérique externe d’étanchéité et la(les) nappe(s) d’armures de traction,
- une ou plusieurs couche(s) anti-usure.
Les conduites flexibles selon l’invention conviennent notamment au transport de fluides, notamment d’hydrocarbures dans les fonds marins et ce, à de grandes profondeurs.
Les conduites flexibles peuvent être utilisées à grande profondeur, typiquement jusqu’à 3000 mètres de profondeur. Elles permettent le transport de fluides, notamment d’hydrocarbures, ayant une température atteignant typiquement 130°C et pouvant même dépasser les 150°C et une pression interne pouvant atteindre 1000 bars, voire 1500 bars.
Selon un deuxième objet, l’invention concerne un procédé de préparation d’une conduite telle que définie ci-dessus comprenant les étapes de :
a) extrusion pour former la gaine polymérique interne d’étanchéité, l’extrusion étant éventuellement réalisée sur une carcasse métallique,
b) assemblage de la gaine polymérique interne d’étanchéité obtenue à l’étape a) avec au moins une nappe d'armures de traction, puis
c) assemblage de la couche polymérique comprenant le polymère poly(4-méthylpent-1-ène) avec la au moins une nappe d'armures de traction.
Si l’extrusion de l’étape a) n’est pas réalisée sur une carcasse, mais de manière indépendante, la conduite flexible obtenue est à passage lisse (« Smooth bore » en anglais). Si l’extrusion de l’étape a) est réalisée sur une carcasse, la conduite flexible obtenue est à passage non lisse (« Rough bore » en anglais).
Lors de l’étape c), la couche polymérique comprenant le polymère poly(4-méthylpent-1-ène) peut être assemblée directement sur la nappe d'armures de traction la plus externe (la couche polymérique comprenant le polymère poly(4-méthylpent-1-ène) et la nappe d'armures de traction la plus externe sont alors des couches adjacentes dans la conduite obtenue), ou bien la couche polymérique comprenant le polymère poly(4-méthylpent-1-ène) peut être assemblée sur une(des) couche(s) supplémentaire(s) entre la nappe d'armures de traction la plus externe et la couche polymérique comprenant le polymère poly(4-méthylpent-1-ène) (la couche polymérique comprenant le polymère poly(4-méthylpent-1-ène) et la nappe d'armures de traction la plus externe ne sont pas adjacentes et sont alors séparées l’une de l’autre par une(des) couche(s) supplémentaire(s) dans la conduite obtenue).
Lorsque la couche polymérique comprenant un polymère poly(4-méthylpent-1-ène) est une gaine polymérique, l’étape c) est généralement réalisée par extrusion.
Lorsque la gaine polymérique est multicouches, l’étape c) est de préférence une coextrusion.
Lorsque le polymère poly(4-méthylpent-1-ène) est réticulé, le procédé peut comprendre une étape supplémentaire de réticulation, qui peut être mise en œuvre avant ou après l’extrusion.
Lorsque la couche comprenant un polymère poly(4-méthylpent-1-ène) comprend plusieurs polymères, le mélange des polymères peut être réalisé avant ou pendant la (co)extrusion.
Les étapes de (co)extrusion peuvent être réalisées par toute méthode connue de l’homme du métier, par exemple en utilisant une extrudeuse mono-vis ou bi-vis.
Lorsque la couche comprenant un polymère poly(4-méthylpent-1-ène) est une gaine polymérique intermédiaire, l’extrusion de la couche est typiquement réalisée sur l’ensemble de couches de la conduite qui sont plus internes que ladite gaine polymérique intermédiaire dans la conduite flexible obtenue par le procédé.
Lorsque la couche comprenant polymère poly(4-méthylpent-1-ène) est la gaine polymérique externe d’étanchéité, l’extrusion est typiquement réalisée sur un ensemble de couches: au moins une nappe d’armures de traction (généralement deux nappes d’armures)/ éventuelle voûte de pression / gaine polymérique interne d’étanchéité / éventuellement carcasse (les couches étant listées de l’extérieur vers l’intérieur, l’extrusion étant réalisée sur la couche extérieure de cet ensemble, c'est-à-dire sur une nappe d’armures de traction).
Lorsque la couche polymérique comprenant un polymère poly(4-méthylpent-1-ène) est un enroulement hélicoïdal d'un ou plusieurs rubans comprenant un polymère poly(4-méthylpent-1-ène), l’étape c) est typiquement réalisée en:
- enroulant autour de la(des) nappe(s) d’armures de traction un ou plusieurs rubans de façon à former un enroulement hélicoïdal formant des spires, où au moins un des rubans (de préférence chaque ruban), comprend le polymère poly(4-méthylpent-1-ène),
- éventuellement joignant partiellement ou totalement lesdites spires les unes aux autres. Cette étape est absente si les spires désirées sont désolidarisées les unes des autres.
Le procédé peut également comprendre une étape préalable de formation d’un ruban comprenant un polymère poly(4-méthylpent-1-ène) par extrusion. Lorsque le polymère poly(4-méthylpent-1-ène) est réticulé, le procédé peut comprendre une étape supplémentaire de réticulation, qui peut être mise en œuvre avant ou après l’extrusion.
Selon un troisième objet, l’invention a pour objet une conduite flexible sous-marine susceptible d’être obtenue par le procédé précité.
Selon un quatrième objet, l’invention a pour objet l’utilisation de la conduite flexible sous-marine précitée pour le transport d’hydrocarbures.
Selon un cinquième objet, l’invention concerne l’utilisation d’un polymère poly(4-méthylpent-1-ène) dans une couche polymérique pour désévériser l’environnement de l’annulaire formé entre ladite couche polymérique et une gaine polymérique interne d'étanchéité d’une conduite flexible sous-marine destinée au transport d’hydrocarbures et comprenant, de l'extérieur vers l'intérieur de la conduite,
- ladite couche polymérique,
- au moins une nappe d'armures de traction en tant que couche de renforcement,
- ladite gaine polymérique interne d'étanchéité.
L’invention concerne une méthode pour désévériser l’environnement de l’annulaire formé entre une couche polymérique et une gaine polymérique interne d'étanchéité dans une conduite flexible sous-marine destinée au transport d’hydrocarbures comprenant, de l'extérieur vers l'intérieur de la conduite,
- ladite couche polymérique,
- au moins une nappe d'armures de traction en tant que couche de renforcement,
- ladite gaine polymérique interne d'étanchéité,
la méthode comprenant l’utilisation d’un polymère poly(4-méthylpent-1-ène) dans ladite couche polymérique.
L’invention concerne également l’utilisation d’un polymère poly(4-méthylpent-1-ène) dans une couche polymérique pour diminuer la quantité de CO2et/ou de H2S présent dans l’annulaire formé entre ladite couche polymérique et une gaine polymérique interne d'étanchéité d’une conduite flexible sous-marine destinée au transport d’hydrocarbures et comprenant, de l'extérieur vers l'intérieur de la conduite,
- ladite couche polymérique,
- au moins une nappe d'armures de traction en tant que couche de renforcement,
- ladite gaine polymérique interne d'étanchéité.
L’invention concerne une méthode pour diminuer la quantité de CO2et/ou de H2S présent dans l’annulaire formé entre une couche polymérique et une gaine polymérique interne d'étanchéité dans une conduite flexible sous-marine destinée au transport d’hydrocarbures et comprenant, de l'extérieur vers l'intérieur de la conduite,
- ladite couche polymérique,
- au moins une nappe d'armures de traction en tant que couche de renforcement,
- ladite gaine polymérique interne d'étanchéité,
la méthode comprenant l’utilisation d’un polymère poly(4-méthylpent-1-ène) dans ladite couche polymérique.
L’invention concerne également l’utilisation d’un polymère poly(4-méthylpent-1-ène) dans une couche polymérique pour limiter la corrosion d’au moins une nappe d'armures de traction d’une conduite flexible sous-marine destinée au transport d’hydrocarbures et comprenant, de l'extérieur vers l'intérieur de la conduite,
- ladite couche polymérique,
- ladite au moins une nappe d'armures de traction en tant que couche de renforcement,
- une gaine polymérique interne d'étanchéité.
L’invention concerne une méthode pour limiter la corrosion d’au moins une nappe d'armures de traction dans une conduite flexible sous-marine destinée au transport d’hydrocarbures et comprenant, de l'extérieur vers l'intérieur de la conduite,
- ladite couche polymérique,
- ladite au moins une nappe d'armures de traction en tant que couche de renforcement,
- une gaine polymérique interne d'étanchéité,
la méthode comprenant l’utilisation d’un polymère poly(4-méthylpent-1-ène) dans ladite couche polymérique.
D'autres particularités et avantages de l'invention ressortiront à la lecture de la description faite ci-après de modes de réalisation particuliers de l'invention, donnés à titre indicatif mais non limitatif, en référence à la figure 1.
- une gaine polymérique externe d'étanchéité 10 comprenant un polymère poly(4-méthylpent-1-ène),
- une nappe externe d'armures de traction 12,
- une nappe interne d'armures de traction 14 enroulée en sens opposé de la nappe externe 12,
- une voûte de pression 18 de reprise des efforts radiaux générés par la pression des hydrocarbures transportés,
- une gaine polymérique interne d'étanchéité 20, et
- une carcasse interne 22 de reprise des efforts radiaux d'écrasement.
Du fait de la présence de la carcasse interne 22, ces conduites sont dites à passage non lisse (" rough bore " en langue anglaise). L'invention pourrait aussi s'appliquer à une conduite dite à passage lisse (" smooth-bore " en langue anglaise), ne comportant pas de carcasse interne.
De même, on ne sortirait pas du champ de la présente invention en supprimant la voûte de pression 18. De préférence, en l’absence de voûte de pression 18, les angles d'hélice des fils constituant les nappes d'armures 12, 14 sont proches de 55° et en sens opposé.
Les nappes d'armures 12, 14 sont obtenues par enroulement à pas long d'un ensemble de fils en matériau métallique ou composite, de section généralement sensiblement rectangulaire. L'invention s'appliquerait aussi si ces fils avaient une section de géométrie circulaire ou complexe, du type par exemple T autoagrafé. Sur la figure 1, seules deux nappes d'armures 12 et 14 sont représentées, mais la conduite pourrait aussi comporter une ou plusieurs paires supplémentaires d'armures. La nappe d'armures 12 est dite externe car elle est ici la dernière, en partant de l'intérieur de la conduite, avant la gaine polymérique d'étanchéité externe d'étanchéité 10.
La conduite flexible peut également comprendre des couches non représentées sur la figure 1, telles que :
- une couche de maintien entre la gaine polymérique externe d'étanchéité 10 et les nappes d’armures de traction 12 et 14, ou entre deux nappes d’armures de traction,
- une ou plusieurs couches anti-usure (" anti-wear layer " en anglais) en matériau polymérique en contact soit avec la face interne de la couche de maintien précitée, soit avec sa face externe, soit avec les deux faces, cette couche anti-usure permettant d’éviter que la couche de maintien s'use au contact avec des armures métalliques. Les couches anti-usure, qui sont bien connues de l'homme du métier, sont généralement réalisées par enroulement hélicoïdal d'un ou plusieurs rubans obtenus par extrusion d'un matériau polymérique à base de polyamide, de polyoléfines, ou de PVDF (" polyvinylidene fluoride " en anglais). On pourra aussi se reporter au document WO 2006/120320 qui décrit des couches anti-usure constituées de rubans en polysulfone (PSU), polyethersulfone (PES), polyphenylsulfone (PPSU), polyetherimide (PEI), polytétrafluoroéthylène (PTFE), polyétheréthercétone (PEEK) ou polysulfure de phénylène (PPS).
L’invention est illustrée au vu de l’exemple qui suit.
EXEMPLE
Exemple : coefficient de perméabilité des polymères au CO2
Des mesures du coefficient de perméabilité au CO2à 40°C ont été réalisées sur des échantillons composés de films d’épaisseur d’environ 2 mm d’un thermoplastique elastomère de type SantopreneTM203-50 vendu par ExxonMobil et sur un thermoplastique selon l’invention (PMP-1) qui correspond au grade MX002 fourni par Mitsui Chemicals.
Les valeurs moyennes du coefficient de perméabilité ont été calculées à partir de 3 mesures au moins.
Les résultats obtenus sont résumés dans le tableau 1 ci-dessous.
| Echantillon | Epaisseur, mm | T, °C | Pressure, ΔP bar | Coefficient de perméabilité, (barrer) |
| SantopreneTM203-50 (comparatif) | 2,176±0,066 |
40,3±1,9 | 8,571±0,006 | 61,6 |
| PMP-1 (invention) | 2,184±0,011 |
41,5±0,9 | 8,528±0,008 | 100,2 |
En unites SI, 1 barrer = 3,35 10-16(mol m)/(m2 s Pa).
Tableau 1: Coefficients de perméabilité calculés
Ces résultats montrent que le coefficient de perméabilité du poly(4-méthylpent-1-ène) est élevé comparé à celui coefficient de perméabilité d’un thermoplastique élastomère.
Claims (11)
- Conduite flexible sous-marine destinée au transport d’hydrocarbures comprenant, de l'extérieur vers l'intérieur de la conduite :
- une couche polymérique comprenant un polymère poly(4-méthylpent-1-ène),
- au moins une nappe d'armures de traction (12,14) en tant que couche de renforcement,
- une gaine polymérique interne d'étanchéité (20). - Conduite flexible selon la revendication 1, dans laquelle la couche polymérique comprenant un polymère poly(4-méthylpent-1-ène) est la gaine polymérique externe d'étanchéité (10).
- Conduite flexible selon la revendication 1, comprenant, de l'extérieur vers l'intérieur de la conduite :
- une gaine polymérique externe d'étanchéité (10),
- ladite couche polymérique comprenant un polymère poly(4-méthylpent-1-ène) en tant que couche polymérique intermédiaire,
- ladite au moins une nappe d'armures de traction (12, 14) en tant que couche de renforcement,
- ladite gaine polymérique interne d'étanchéité (20). - Conduite flexible selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, dans laquelle la couche polymérique comprenant un polymère poly(4-méthylpent-1-ène) est une gaine polymérique obtenue par extrusion ou par co-extrusion.
- Conduite flexible selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle le polymère poly(4-méthylpent-1-ène) a:
- un allongement à la rupture supérieur à 20%, celui-ci étant déterminé à 20°C selon ISO 527 de 2012 à 50 mm/min et pour une éprouvette de 4 mm d'épaisseur, et/ou
- un indice de fluidité tel que mesuré selon la norme ASTM D1238-13 à 260°C sous une charge de 5,0 kg, de 0,1 à 50 g/10 min. - Conduite flexible selon la revendication 1 ou 3, dans laquelle la couche polymérique comprenant un polymère poly(4-méthylpent-1-ène) est un enroulement hélicoïdal d'un ou plusieurs rubans, dont au moins un comprend un polymère poly(4-méthylpent-1-ène), ledit enroulement hélicoïdal formant des spires qui peuvent être partiellement ou totalement jointes entre elles, ou bien désolidarisées les unes des autres.
- Conduite flexible selon la revendication 6, dans laquelle le polymère poly(4-méthylpent-1-ène) a :
- un allongement à la rupture supérieur à 5%, celui-ci étant déterminé à 20°C selon ISO 527 de 2012 à 50 mm/min et pour une éprouvette de 4 mm d'épaisseur, et/ou
- un indice de fluidité tel que mesuré selon la norme ASTM D1238-13 à 260°C sous une charge de 5,0 kg, de 10 à 200 g/10 min. - Conduite flexible selon l’une quelconque des revendications précédentes comprenantune voûte de pression (18) entre la gaine polymérique interne d’étanchéité (20) et l’au moins une nappe d’armures de traction (12, 14).
- Conduite flexible selon l’une quelconque des revendications précédentes dans laquelle la gaine polymérique interne d'étanchéité (20) revêt une carcasse métallique (22).
- Conduite flexible selon l’une quelconque des revendications précédentes dans laquelle la conduite flexible est une conduite flexible non liée.
- Procédé de préparation d’une conduite selon l’une quelconque des revendications 1 à 10 comprenant les étapes de :
- extrusion pour former la gaine polymérique interne d’étanchéité (20),
c) assemblage de la couche polymérique comprenant le polymère poly(4-méthylpent-1-ène) avec la au moins une nappe d'armures de traction (12,14).
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