WO2015193607A1 - Raidisseur tubulaire regule thermiquement - Google Patents

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WO2015193607A1
WO2015193607A1 PCT/FR2015/051594 FR2015051594W WO2015193607A1 WO 2015193607 A1 WO2015193607 A1 WO 2015193607A1 FR 2015051594 W FR2015051594 W FR 2015051594W WO 2015193607 A1 WO2015193607 A1 WO 2015193607A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
tubular stiffener
tubular
nanoparticles
flexible pipe
stiffener
Prior art date
Application number
PCT/FR2015/051594
Other languages
English (en)
Inventor
Cyril HOLYST
Henri Morand
Cécile IZARN
Richard DANIELL
Original Assignee
Technip France
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Filing date
Publication date
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Priority to EP15736552.9A priority patent/EP3155205B1/fr
Publication of WO2015193607A1 publication Critical patent/WO2015193607A1/fr

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Classifications

    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E21—EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
    • E21B—EARTH OR ROCK DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
    • E21B17/00—Drilling rods or pipes; Flexible drill strings; Kellies; Drill collars; Sucker rods; Cables; Casings; Tubings
    • E21B17/01—Risers
    • E21B17/017—Bend restrictors for limiting stress on risers

Definitions

  • the present invention relates to a stiffener made of a polymeric material intended to be installed around a flexible pipe for transporting hydrocarbons so as to limit the curvature thereof.
  • One envisaged field of application is in particular, but not exclusively, that of transporting hot hydrocarbons in a marine environment, for example at a temperature above 80 ° C.
  • a hydrocarbon for example, the rise of a hydrocarbon, from an underwater wellhead to a floating oil field, such as a semi-submersible platform or an FPSO "Floating Production Storage” and Offloading ".
  • Another field of application envisaged is that of the injection of hot water and / or gas inside the submarine well in order to improve the recovery of the crude oil that it contains.
  • the flexible pipes referred to herein comprise one or more generally metallic layers of crush resistance, one or more polymer layers for isolating the hydrocarbon from the external environment, generally metal wire wires wound helically under form of cross plies providing tensile strength, and an outer protective layer of polymer.
  • These pipes are described in particular by API 17J and API RP 17B standards published by the American Petroleum Institute.
  • Such pipes can be damaged when they bend under the action of the agitation of the marine environment or during their installation, and that their radius of curvature becomes too small.
  • the flexible pipe is equipped with a bending limiter in English, complying with the requirements of Annex B of ⁇ 17J.
  • the curvature limiter is a type of general equipment encompassing both specific equipment such as bend restrictors, also known as “vertebrae", and bend stiffeners, or “bending stiffeners”. English.
  • the flexible pipe is equipped with a tubular stiffener of curvature, for example but not exclusively of the type of those disclosed in international applications WO 98/23845, WO 2013/1 13316.
  • the curvature reducers are in the form of a plurality of elements or "vertebrae", generally polyurethane, assembled together to provide a curvature limiter adapted to protect the flexible pipe around which it is mounted.
  • This type of curvature limiter is generally used for static applications. It is connected at the ends of the flexible pipe located both under the sea surface and in the air at the floating oil field assembly.
  • the curvature-stiffening type curvature limiter has an elastic tubular body formed from polyurethane molding, intended to allow an acceptable minimum radius of curvature, or "MBR", an acronym for the English expression Minimum Bending Radius, for the driving portion.
  • MRR minimum radius of curvature
  • This portion corresponds for example to the end of the pipe equipped with a connecting piece connecting the pipe and said float floating oil surface assembly.
  • the portion equipped with the tubular stiffener is situated under the sea at an intermediate connection between two ends of flexible pipe. And, according to another variant, it is the portion located in the lower part of the flexible pipe, at a submarine connection structure and operating fluid, that we equip a tubular stiffener.
  • the portion at the bottom of the flexible pipe is equipped with a vertebral type curvature reducer.
  • the curvature-reducing curvature limiter has a tubular body having a plurality of assembled polyurethane molding elements, and as the curvature stiffener, for allowing an acceptable minimum radius of curvature.
  • curvature limiter sees its stiffness and its mechanical capabilities to withstand heavy loads, decreased.
  • polyurethane curvature limiters excessively insulate the flexible pipe which would then be degraded prematurely in contact with the seawater and under the combined action of the thermal energy transmitted by the hydrocarbon. hot, and / or hot water transported by the flexible pipe.
  • a problem that arises and that aims to solve the present invention is to provide a tubular stiffener that not only allows to dissipate the thermal energy it receives from the flexible pipe, but also, which retains its mechanical properties.
  • the present invention provides a tubular stiffener made of a polymeric material and intended to be installed around a portion of flexible pipe for transporting hydrocarbons to limit the curvature of said flexible pipe portion, said flexible pipe providing thermal energy to said tubular stiffener when said flexible pipe carries hot hydrocarbons, said tubular stiffener being able to dissipate the heat energy supplied by said flexible pipe.
  • the polymeric material is loaded with nanoparticles to dissipate heat energy.
  • a feature of the invention lies in the implementation of nanoparticles in the polymer material so as to increase the thermal conductivity of the latter and thus, to promote the dissipation of thermal energy when it receives it.
  • the nanoparticles are homogeneously disseminated within the mass of the polymer, which in no way affects the mechanical properties thereof, which then retains them integrally. In this way, the temperature of the stiffener remains below a limit value, which preserves aging and chemical degradation, and in particular hydrolysis.
  • said polymeric material is a polyurethane.
  • the stiffener has mechanical properties of elasticity among those highest that a synthetic material may have.
  • the elongation of the polyurethane materials is of elastic type over a large amplitude, for example until rupture.
  • said nanoparticles are nanotubes of nano-ribbons or nano-powders.
  • the nano-tubes have particular crystalline structures, nanometric, tubular and hollow, composed of atoms arranged regularly.
  • Nano-ribbons are for example obtained by an opening or cutting operation of the nanotubes.
  • nano-ribbons are in graphene.
  • the nanoparticles may be in the form of a powder that is easily dispersible in a polymer material to be molded or injected.
  • said nanoparticles are made of boron nitride.
  • the nanoparticles are hexagonal boron nitride.
  • the nanoparticles are made of aluminum nitride.
  • the carbon atoms In comparison with carbon nanotubes, the carbon atoms have been replaced by nitrogen and boron atoms, or alternatively nitrogen and aluminum atoms. This results in a better thermal conduction and hence better dissipates the thermal energy that the stiffener receives from the flexible pipe.
  • the type of nanoparticles dispersed in the polymer material is determined during the design phase of the tubular stiffener so that it responds perfectly to the desired application.
  • tubular stiffener has two opposite ends and a wall having a decreasing thickness of one of said ends towards the other of said ends.
  • a characteristic makes it possible to vary the stiffness of the stiffener along its longitudinal axis between the two ends.
  • the stiffener has a higher resistance to deformation in areas where the wall is thicker and conversely, lower when the wall is thinner.
  • the tubular stiffener further comprises a fastener mounted either on said one of said two opposite ends, or directly on the structure of the operating floating surface assembly to which the flexible pipe is connected.
  • said fixing member comprises a ring inserted inside said one of said two opposite ends.
  • the tubular stiffener is for example molded in one piece. It can also be molded in two parts, as disclosed in International Application WO98 / 41729.
  • the present invention relates to a flexible hydrocarbon transport pipe having an end portion equipped with a connecting piece, and it advantageously comprises a tubular stiffener according to the aforementioned characteristics, said tubular stiffener being fixed to said tip.
  • a tubular stiffener according to the aforementioned characteristics, said tubular stiffener being fixed to said tip.
  • FIG. 1 is a schematic axial sectional view of a tubular stiffener according to the invention installed around a flexible pipe;
  • FIG. 2 is a schematic axial sectional view of a curvature reducer installed around a flexible pipe, according to an alternative embodiment of the invention.
  • FIG. 3 is a schematic exploded perspective view of an element represented in FIG. 2.
  • Figure 1 partially illustrates a tubular flexible pipe 10 having an end 12 provided with a connecting piece 14, which is rigid. It is for example made of steel.
  • the connecting end 14 and the end 12 of the flexible pipe 10 are engaged inside a tubular stiffener 16 according to the invention.
  • the flexible pipe 10 comprises metal layers and layers of polymer material not shown in FIG.
  • a metal carcass made of a spirally stapled metal ribbon
  • a sealing sheath made of polymeric material
  • a pressure vault made of a wire wound at a pitch short contiguous turns
  • at least one layer of tensile armor made of a plurality of metal wires wound with a long pitch and a protective sheath of polymer material.
  • the end 12 of the flexible pipe 10 is crimped into the connection piece 14 so as, on the one hand, to seal the connection between the end 12 and the connection piece and, on the other hand, to be able to resume the tensile forces especially through the layer of tensile armor.
  • the connecting end 14 is intended to be connected to the end of a rigid pipe for example, which is held in a fixed position relative to a marine installation.
  • the tubular stiffener 16 is intended to limit the curvature of the flexible pipe 10 in the vicinity from its end 12.
  • the tubular stiffener 16 has a fastening end 18, substantially cylindrical, and a free end 20, opposite to the fastening end 18. Between the two fastening ends 18 and free 20, the tubular stiffener 16 has a central portion 22 substantially conical. Also, the thickness of the wall of the tubular stiffener 16, between a substantially cylindrical inner surface 24 and a conical outer surface 26, decreases from the fastening end 18 towards the free end 20 so as to increase its mechanical inertia. It will be observed that the diameter of the cylindrical inner surface 24 of the central portion 22 of the stiffener 16 is substantially equal, with the functional clearance close, to the external diameter of the flexible pipe 10.
  • the tubular stiffener 16 has a length for example between 2 m and 10 m, and more specifically, according to an alternative embodiment, 4 m. Also, the thickness of the wall varies for example from 5 cm up to 50 cm, from the free end 20 to the fixing end 18.
  • the tubular stiffener 16 is preferably molded in one piece in a polymeric material, and advantageously in polyurethane.
  • the polymer material is loaded with nanoparticles to be able to dissipate thermal energy as will be explained below.
  • Polyurethane has the advantage of having good resistance to seawater and aliphatic solvents, and moreover, its mechanical properties and in particular elastic are remarkable.
  • the polyurethane is for example prepared by copolymerization between a prepolymer and a chain extender, the prepolymer being itself obtained by reaction between a di-isocyanate and a glycol (or polyol).
  • the di-isocyanate is, for example, a tolylene diisocyanate (TDI) or a diphenylmethane diisocyanate (MDI).
  • the glycol is for example chosen from the families of polyethers or polyesters.
  • the chain extender is either an amine or an alcohol.
  • the polyurethane used for the invention is produced by molding operation of a prepolymer obtained by copolymerization between a toluylene diisocyanate (TDI) with a polyester and an amine of the methylene bis orthochloroaniline type (MBOCA).
  • TDI toluylene diisocyanate
  • MOCA methylene bis orthochloroaniline type
  • This type of polyurethane has a density of between 1 g / cm 3 and 1.30 g / cm 3 .
  • the hardness of the stiffeners measured is between 40 shore D (or 90 shore A) and 90 shore D, depending on whether a curvature stiffener or a curvature reducer is used.
  • Additives such as plasticizers can be added to the polyurethane if it is desired to influence its hardness.
  • polyurethanes having a greater rigidity can be used for the realization of bending restrictors, in order to meet the loading criterion that this type of equipment may have to support.
  • the polyurethanes used for producing the tubular stiffeners have, on the one hand, an elongation at break generally greater than 300% and, on the other hand, an elastic behavior precisely up to this rupture.
  • the flexural strength of the stiffener increases from the free end 20 to the attachment end 18, because the thickness of the wall of the tubular stiffener 16 is increasing.
  • the curvature of the flexible pipe 10 in the vicinity of its end 12 is limited, and this, progressively as one approaches the end 12.
  • the tubular stiffener 16 further comprises an attachment ring 28 inserted inside the fixing end 18.
  • the fixing ring 28 is shaped so as to receive, by shape cooperation, the end piece 14 of the pipe 10, specifically to ensure the attachment of the tubular stiffener 16 at the tip 14.
  • the fixing ring 28 can also be shaped to provide an interface with an external structural protection element such as a "J" -tube “or” l-tube “or again, directly with a set of floating surface oil exploitation.
  • the tubular stiffener 16 is molded on the fixing ring 28.
  • the polymeric material with which the tubular stiffener 16 is molded is loaded with nanoparticles so as to be able to evacuate the thermal energy. transmitted by the hot fluid passing through the flexible pipe 10. Indeed, frequently, when the hydrocarbon is extracted at great depths, in the seabed, its temperature currently exceeds 100 ° C. Therefore, the hot hydrocarbon transmits to the pipe this heat energy that it contains and therefore it is transmitted by conduction to the tubular stiffener 16.
  • tubular stiffener 16 allows the tubular stiffener 16 to quickly evacuate the thermal energy it receives and thus prevents it from being raised to high temperatures. This helps preserve it from early degradation.
  • the improvement in the thermal conductivity of the tubular stiffener 16 coupled to the fact that it is also cooled by seawater ensures a temperature of structure substantially identical to that of seawater. its stiffness is increased and therefore, the manufacture of tubular stiffener with dimensions reduced compared to those manufactured today is possible.
  • the nanoparticles used are nanotubes of boron nitride. They have the advantage of having a very good resistance to heat. And moreover, they help promote the dissipation of thermal energy.
  • the use of the material according to the present invention comprises an operation for mixing the nanoparticles with one of the two compounds involved in the polyurethane copolymerization reaction as described above. above, namely either the prepolymer or the chain extender.
  • This makes it possible to obtain a more homogeneous distribution of the nanoparticles.
  • the percentage of nanoparticles introduced into one of the two compounds is determined as a function of the thermal conduction properties, and / or the desired mechanical properties, as well as of the temperature of the seawater and the hydrocarbon fluid flowing within it. flexible pipe 10.
  • the seawater temperature is of the order of a few degrees Celsius allowing the tubular stiffener 16 to evacuate more thermal energy.
  • the tubular stiffener 16 when the tubular stiffener 16 is located near the surface, where the temperature of the seawater is higher, or in the air, it is more difficult for them to evacuate the excess thermal energy. In this way, the tubular stiffener 16 located at great depths will not require the introduction of a high percentage of nanoparticles in its polyurethane body while a tubular stiffener located near the surface or in the air will have a body polyurethane comprising a higher percentage of nanoparticles.
  • the particles made of aluminum nitride have the advantage of having a thermal conductivity equivalent to 285 W / m.K.
  • the hexagonal edge nitride particles have a thermal conductivity of between 1700 and 2000 W / m.K.
  • nanoparticles can be dispersed in other types of polymeric materials, such as polypropylene, nylon or natural or silicone rubbers for the realization of all or part of the elements that comprises a bending stiffener or "bending stiffener”.
  • such a material can also be used for the manufacture of a bending restrictor and more particularly to the manufacture of the plurality of elements that compose it, as described below.
  • the underwater flexible pipe 10 is equipped with a particular bending restrictor 30.
  • the invention can not be limited to this unique configuration of curvature reducer described in more detail below.
  • the curvature reducer 30 is connected to a floating surface assembly via a terminal element 31 of generally metal connection, connected to the end cap 14 of the pipe 10.
  • the curvature reducer has a length of for example between 2 m and 10 m.
  • the curvature reducer is inserted and held in position in a "l-tube” or a "J-tube”.
  • the curvature reducer 30 has a plurality of elements 32 connected to each other at their ends.
  • each member 32 is in the form of two half-shells 32a; 32b concentric with respect to a longitudinal axis A-A 'and held together by appropriate fastening means (not shown), for example by bolting.
  • each half-shell comprises a first end 33 and a second end 34 adapted to cooperate together. More specifically, the shapes of the first and second ends 33; 34 are complementary and cooperate together with play. Also, the thickness of the wall of the elements 32 varies for example between 2 cm and 30 cm.
  • the plurality of elements 32 is arranged around the outer sealing sheath of the pipe 10 so that the first end 33 of an element 32 is connected to the second end 34 of another element 32. A free space is thus created between the inner surface of the plurality of elements 32 and the outer surface of the outer sealing sheath.
  • This operation is repeated step by step, for each addition of element 32 until the desired number is obtained.
  • the number of elements 32 is chosen according to their length, so that once arranged around the pipe 10, they limit its radius of curvature to a minimum acceptable value or "MBR" determined. More particularly, it is necessary to limit the curvature of the pipe 10 at the zone located near the end cap 14. When the pipe 10 is subjected to bending forces, the first ends 33 abut against the second ends 34 thus limiting the curved deformation of the pipe.
  • the elements 32 of the curvature reducer 30 are made by molding.
  • the material used for the manufacture of these elements can be either a metal or a polymer. The choice of material depends on the loading forces to be taken up by the elements 32. For example, the elements 32 closest to the end tip 14 of the pipe 10 are generally the most mechanically stressed.
  • the pipe portion close to the nozzle 14 may be partially or totally immersed in seawater. Therefore, in the free space between the outer sheath of sealing and the elements 32, seawater heated by the thermal energy released by the hot fluid transported may be there.
  • the elements 32 are made by molding from a thermosetting material such as a polyurethane.
  • a polyurethane is chosen as that used for producing the curvature stiffener according to the invention.
  • Other polyurethanes having a greater rigidity can be used to meet the loading criterion that a curvature reducer is made to bear.
  • the polymer material is loaded with nanoparticles which allows a rapid evacuation of the thermal energy as explained above.
  • polyurethane has the advantage of having good resistance to seawater and aliphatic solvents, and moreover, its mechanical properties are remarkable.
  • the half-shells 33; 34 forming the elements 32 of the curvature reducer 30 have a better thermal conductivity and are then able to evacuate in the surrounding sea water or in the air, the thermal energy transmitted by the fluid flowing in the flexible pipe 10 and stored by the seawater in the presence in said free space.
  • the mechanical properties of the elements 32 made of polyurethane loaded with nanoparticles are improved and they are not likely to be attenuated or degraded by accelerated thermal aging.

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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 ». Un autre domaine d'application envisagé est celui de l'injection d'eau chaude et/ou de gaz à l'intérieur de puits sous-marin afin d'améliorer la récupération du pétrole brut qu'il contient.
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 ou bien lors de leur installation, 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 ΑΡΙ 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, aussi appelé « vertèbres », et les raidisseurs de courbure, ou « bending stiffeners » en anglais. De préférence, la conduite flexible est équipée d'un raidisseur tubulaire de courbure, par exemple mais non exclusivement du type de ceux divulgués dans les demandes internationales WO 98/23845, WO 2013/1 13316.
Les réducteurs de courbure se présentent sous la forme d'une pluralité d'éléments ou « vertèbres », généralement en polyuréthanne, assemblés entre eux pour réaliser un limiteur de courbure apte à protéger la conduite flexible autour de laquelle il est monté. Ce type de limiteur de courbure est généralement utilisé pour des applications statiques. Il est connecté au niveau des embouts d'extrémité de la conduite flexible situés aussi bien sous la surface de la mer que dans l'air au niveau de l'ensemble de surface flottant d'exploitation pétrolière.
Le limiteur de courbure du type 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. Le limiteur de courbure du type réducteur de courbure présente un corps tubulaire comportant une pluralité d'éléments assemblés venu de moulage en polyuréthanne, et comme le raidisseur de courbure, destiné à autoriser un rayon de courbure minimal acceptable.
Toutefois, il s'est avéré que les limiteurs de courbure en polyuréthanne vieillissaient prématurément par hydrolyse au contact de l'eau de mer et sous l'action conjuguée de l'énergie thermique transmise par l'hydrocarbure chaud et/ou l'eau chaude, par l'intermédiaire de la conduite. En conséquence, le limiteur de courbure voit sa raideur et ses capacités mécaniques à résister à de fortes charges, diminuées.
En outre, il pourrait également survenir que les limiteurs de courbure en polyuréthanne isolent de manière excessive la conduite flexible qui serait alors dégradée prématurément au contact de l'eau de mer et sous l'action conjuguée de l'énergie thermique transmise par l'hydrocarbure chaud, et/ou de l'eau chaude transportée, par la conduite flexible.
Aussi, il a été imaginé de faire en sorte de réduire la température moyenne du limiteur de courbure en accélérant la dissipation d'énergie thermique accumulée. Pour ce faire, dans le cas d'un raidisseur de courbure, des canaux de circulation d'eau ont été ménagés au sein du raidisseur. On pourra notamment se référer au document FR 2 741 696 A1 , 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 œuvre 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 œuvre 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 œuvre 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 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 :
- la Figure 1 est une vue schématique en coupe axiale d'un raidisseur tubulaire conforme à l'invention installé autour d'une conduite flexible ;
- la Figure 2 est une vue schématique en coupe axiale d'un réducteur de courbure installé autour d'une conduite flexible, conformément à une variante de réalisation de l'invention ; et,
- la Figure 3 est une vue schématique en perspective éclatée d'un élément représenté sur la Figure 2.
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.
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 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 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 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 nanoparticules permettant de pouvoir dissiper l'énergie thermique comme on l'expliquera ci- après. Le polyuréthanne présente l'avantage d'avoir une bonne tenue à l'eau de mer 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 un polyester et d'une amine du type méthylène bis orthochloroaniline (MBOCA). Ce type de polyuréthanne possède une densité comprise entre 1 g/cm3 et 1 ,30g/cm3. La dureté des raidisseurs mesurée est comprise entre 40 shore D (ou 90 shore A) et 90 shore D, 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 tubulaire 16 au niveau de l'embout 14. En outre, la bague de fixation 28 peut aussi être conformée de manière à assurer une interface avec un élément structurel extérieur de protection tel qu'un « J-tube » ou « l-tube » ou encore, directement avec un ensemble de surface flottant d'exploitation pétrolière. 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 le fluide 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 œuvre 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 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, notamment mais non exclusivement, de fluides d'hydrocarbures, plus particulièrement pour la réalisation d'une gaine externe d'étanchéité ou une gaine de protection d'une 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. Ainsi, la gaine externe d'étanchéité de la conduite agit alors comme un échangeur thermique avec le milieu environnant. Alternativement, cela permet de réchauffer rapidement ou sur une courte longueur un fluide plus froid que l'environnement extérieur et qui est contenu dans la conduite flexible.
Selon une première variante de réalisation les nanoparticules mise en œuvre 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.
La mise en œuvre 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 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, où la température de l'eau de mer est plus élevée, ou dans l'air, il leur est plus difficile d'évacuer le surplus d'énergie thermique. 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 situé proche de la surface ou dans l'air 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 œuvre 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 raidisseur de courbure, ou « bending stiffener ».
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.
En outre, un tel matériau peut aussi servir à la fabrication d'un réducteur de courbure, ou « bending restrictor » et plus particulièrement, à la fabrication de la pluralité d'éléments qui le compose, tel que décrit ci-dessous.
Selon une variante de réalisation de l'invention illustrée sur la Figure 2, la conduite flexible sous-marine 10 est équipée d'un réducteur de courbure 30 ou « bending restrictor » particulier. L'invention ne saurait se limiter à cette unique configuration de réducteur de courbure décrit plus en détail ci-dessous.
Le réducteur de courbure 30 est connecté à un ensemble de surface flottant par l'intermédiaire d'un élément terminal 31 de connexion généralement en métal, relié à l'embout d'extrémité 14 de la conduite 10.
Le réducteur de courbure présente une longueur comprise par exemple entre 2 m et 10 m.
Selon une variante (non représentée), le réducteur de courbure est inséré et maintenu en position dans un « l-tube » ou un « J-tube ».
Le réducteur de courbure 30 comporte une pluralité d'éléments 32 connectés entre eux au niveau de leurs extrémités.
Tel qu'illustré sur la Figure 3, chaque élément 32 se présente sous la forme de deux demi-coquilles 32a ; 32b concentriques par rapport à un axe longitudinal A-A' et maintenues solidairement entre elles par des moyens de fixation appropriés (non représentés), par exemple par boulonnage. En outre, chaque demi-coquille comprend une première extrémité 33 et une seconde extrémité 34 apte à coopérer ensemble. Plus précisément, les formes des première et seconde extrémités 33 ; 34 sont complémentaires et coopèrent ensemble avec jeu. Aussi, l'épaisseur de la paroi des éléments 32 varie par exemple entre 2 cm et 30 cm.
Lors de la phase d'installation de la conduite flexible sous-marine 10, la pluralité d'éléments 32 est agencée autour de la gaine externe d'étanchéité de la conduite 10 de telle sorte que la première extrémité 33 d'un élément 32 est connectée à la seconde extrémité 34 d'un autre élément 32. Un espace libre est ainsi créé entre la surface interne de la pluralité d'éléments 32 et la surface externe de la gaine externe d'étanchéité.
On répète cette opération de proche en proche, pour chaque ajout d'élément 32 jusqu'à l'obtention du nombre souhaité. Le nombre d'éléments 32 est choisi en fonction de leur longueur, de manière à ce qu'une fois agencés autour de la conduite 10, ils en limitent son rayon de courbure à une valeur minimale acceptable ou « MBR » déterminée. Plus particulièrement, il convient de limiter la courbure de la conduite 10 au niveau de la zone située à proximité de l'embout d'extrémité 14. Lorsque la conduite 10 est soumise à des efforts de flexion, les premières extrémités 33 viennent en butée contre les secondes extrémités 34 limitant ainsi la déformation courbe de la conduite.
Les éléments 32 du réducteur de courbure 30 sont fabriqués par moulage. Le matériau utilisé pour la fabrication de ces éléments peut être soit un métal, soit un polymère. Le choix du matériau dépend des efforts de chargement devant être repris par les éléments 32. Par exemple, les éléments 32 les plus proches de l'embout d'extrémité 14 de la conduite 10 sont généralement les plus sollicités mécaniquement. De plus, selon la configuration du champ de production d'hydrocarbures, la portion de conduite proche de l'embout 14 peut être partiellement ou totalement immergée dans l'eau de mer. Partant, dans l'espace libre entre la gaine externe d'étanchéité et les éléments 32, de l'eau de mer réchauffée par l'énergie thermique dégagée par le fluide chaud transporté peut s'y trouver.
De préférence, les éléments 32 sont réalisés par moulage à partir d'un matériau thermodurcissable tel qu'un polyuréthanne. Avantageusement, on choisit le même polyuréthanne que celui utilisé pour la réalisation du raidisseur de courbure selon l'invention. D'autres polyuréthannes présentant une plus grande rigidité peuvent être utilisés afin de répondre au critère de chargement qu'un réducteur de courbure est amené à supporter.
Conformément à l'invention, le matériau polymère est chargé de nanoparticules ce qui permet une évacuation rapide de l'énergie thermique comme expliqué ci-avant. De plus, le polyuréthanne présente l'avantage d'avoir une bonne tenue à l'eau de mer et aux solvants aliphatiques, et au surplus, ses propriétés mécaniques sont remarquables.
Ainsi, les demi-coquilles 33 ; 34 formant les éléments 32 du réducteur de courbure 30 possèdent une meilleure conductivité thermique et sont alors capables d'évacuer dans l'eau de mer environnante ou dans l'air, l'énergie thermique transmise par le fluide circulant dans la conduite flexible 10 et emmagasinée par l'eau de mer en présence dans ledit espace libre.
De cette manière, les propriétés mécaniques des éléments 32 en polyuréthanne chargé en nanoparticules sont améliorées et elles ne risquent pas d'être atténuer voire dégrader par vieillissement thermique accéléré.

Claims

REVENDICATIONS
1 . 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.
1 1 . 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 1 1 , 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 1 3, ledit raidisseur tubulaire étant solidaire dudit embout (14).
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