WO2018114418A1 - Conduite flexible de transport de fluide petrolier comprenant une barriere contre la diffusion - Google Patents

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WO2018114418A1
WO2018114418A1 PCT/EP2017/082171 EP2017082171W WO2018114418A1 WO 2018114418 A1 WO2018114418 A1 WO 2018114418A1 EP 2017082171 W EP2017082171 W EP 2017082171W WO 2018114418 A1 WO2018114418 A1 WO 2018114418A1
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WO
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diffusion barrier
metal
metal strip
strip
sheath
Prior art date
Application number
PCT/EP2017/082171
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English (en)
Inventor
Xavier Lefebvre
Michael Martinez
Marie-Helene Klopffer
Jean-Jacques Rousseau
Frédéric DEMANZE
Carol TARAVEL-CONDAT
Cécile PLENNEVAUX
Original Assignee
IFP Energies Nouvelles
Technip France
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Priority to NO20190755A priority patent/NO347041B1/en
Priority to GB1910039.5A priority patent/GB2572120B/en
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16L—PIPES; JOINTS OR FITTINGS FOR PIPES; SUPPORTS FOR PIPES, CABLES OR PROTECTIVE TUBING; MEANS FOR THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16L11/00—Hoses, i.e. flexible pipes
    • F16L11/04—Hoses, i.e. flexible pipes made of rubber or flexible plastics
    • F16L11/08—Hoses, i.e. flexible pipes made of rubber or flexible plastics with reinforcements embedded in the wall
    • F16L11/081—Hoses, i.e. flexible pipes made of rubber or flexible plastics with reinforcements embedded in the wall comprising one or more layers of a helically wound cord or wire
    • F16L11/083—Hoses, i.e. flexible pipes made of rubber or flexible plastics with reinforcements embedded in the wall comprising one or more layers of a helically wound cord or wire three or more layers
    • 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
    • E21B41/00—Equipment or details not covered by groups E21B15/00 - E21B40/00
    • E21B41/0007—Equipment or details not covered by groups E21B15/00 - E21B40/00 for underwater installations
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16L—PIPES; JOINTS OR FITTINGS FOR PIPES; SUPPORTS FOR PIPES, CABLES OR PROTECTIVE TUBING; MEANS FOR THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16L11/00—Hoses, i.e. flexible pipes
    • F16L11/04—Hoses, i.e. flexible pipes made of rubber or flexible plastics
    • F16L2011/047—Hoses, i.e. flexible pipes made of rubber or flexible plastics with a diffusion barrier layer

Definitions

  • the present invention relates to a flexible tubular pipe for the transport of petroleum fluid used in the field of offshore oil exploitation.
  • the flexible pipes targeted by the present invention are formed of a set of different concentric and superimposed layers, and are said to be of unbonded type because these layers have a certain freedom of movement from one to the other .
  • These flexible pipes meet among others the recommendations of the normative documents API 17J "Specification for Unbonded Flexible Pipe” (4th edition, May 2014) and API 17B "Recommended Practice for Flexible Pipe” (5th edition, March 2014) published by the American Petroleum Institute.
  • the constituent layers of the flexible pipes comprise in particular polymeric sheaths generally providing a sealing function, and reinforcing layers for the recovery of the mechanical forces and formed by windings of strip, metal son, various bands or profiles. composite materials.
  • the flexible pipe When the flexible pipe is in use, it can be subjected to high static and dynamic loads, which can lead to a phenomenon of fatigue. The most severe loadings are generally observed in the upper part of the rising ducts ("risers" in English) connecting the seabed to the surface. Indeed, in this zone, the flexible pipe is subjected to a high static tension stress related to the weight of the pipe, to which are added dynamic stresses in tension and in transverse flexion related to the movements of the floating unit of production. under the effect of waves and waves. As regards the part of the flexible pipe extending on the seabed ("flowlines" in English), the charges applied are essentially static.
  • the flexible pipes of unbound type most widely used in the offshore oil industry generally comprise, from the inside to the outside, an internal carcass consisting of a profiled stainless steel strip wound helically with a short pitch in stapled coils. to each other, said inner carcass serving mainly to prevent crushing of the flexible pipe under the effect of external pressure, an inner sheath of polymer sealing, a pressure vault made of at least one shaped metal wire staple and wound helically with a short pitch, said pressure vault serving to take up the radial forces related to the internal pressure, tensile armor plies formed of helical windings with a long pitch of metallic or composite threads, said armor plies traction being intended to take up the longitudinal forces that undergoes the flexible pipe, and finally an outer sheath no sealing intended to protect seawater reinforcement layers.
  • short-pitch winding any winding having a helix angle whose absolute value is close to 90 degrees, in practice between 70 degrees and 90 degrees.
  • long-pitch winding refers to any winding whose helix angle is less than or equal to 55 degrees in absolute value.
  • the internal carcass allows the flexible pipe to have a collapse resistance ("collapse" in English) sufficient to withstand strong external pressures, including hydrostatic pressure when the flexible pipe is immersed at great depth ( 1000m, or 2000m, or more), or the external contact pressures experienced during handling and installation operations at sea.
  • a flexible pipe with an internal carcass is called a "rough bore". because the innermost element is the internal carcass which forms a non-smooth passage due to the gaps between the metal turns of the stapled strip.
  • the main function of the pressure vault is to allow the internal sealing sheath to withstand, without bursting, the pressure exerted by the petroleum fluid transported by the pipe, the outer face of the internal sealing sheath being supported against the internal face of the pressure vault.
  • the pressure vault also contributes to improving the crush strength of the internal carcass, in particular because it limits the possibilities of deformation of the internal carcass under the effect of the hydrostatic pressure.
  • the main function of the traction armor plies is to take up the longitudinal forces, especially those related to the hanging weight of the flexible pipe when it is installed on the seabed from a laying boat located on the surface.
  • the petroleum fluid transported by the flexible pipe includes hydrocarbons extracted from certain petroleum fields that can be extremely corrosive. This is particularly the case for multiphase hydrocarbons having high hydrogen sulfide (H 2 S) partial pressures, typically at least 2 bar, and / or carbon dioxide (CO 2 ), typically at least 5 bar, and having in addition, a high concentration of chlorides, typically at least 50,000 ppm.
  • H 2 S hydrogen sulfide
  • CO 2 carbon dioxide
  • Such fluids are generally very acidic (pH ⁇ 4.5). In addition, their temperature may exceed 90 0 C or 130 0 C.
  • the inner casing is in direct contact with these corrosive fluids and must therefore be made of a material highly resistant to corrosion, for example a stainless steel.
  • the pressure vault and the tensile armors are isolated from these fluids by virtue of the internal sealing sheath, and are thus in a much less corrosive environment than that of the internal carcass, since only certain corrosive gases can slowly spread through the internal sealing sheath.
  • the pressure vault and the tensile armor can be made of carbon steel significantly less expensive than the stainless steel used for the internal carcass.
  • the pressure sheath (internal sealing sheath) is impervious to hydrocarbons and other fluids transported such as water, small amounts of gas can slowly diffuse through the latter, especially when the temperature and its pressure are high. .
  • This phenomenon mainly concerns small molecules, in particular water in the vapor phase, and gases of carbon dioxide (C0 2 ), hydrogen sulphide (H 2 S) and methane (CH 4 ).
  • C0 2 carbon dioxide
  • H 2 S hydrogen sulphide
  • CH 4 methane
  • the document EP 844 429 proposes to introduce, in a sheath of polymer material, chemically active products with the acidic compounds (H 2 S and / or C0 2 ) so as to irreversibly neutralize the corrosive effects of said acidic compounds and so as to avoid corrosive effects on the metal parts of the pipe.
  • Other solutions propose the use of continuous metal sheaths whose gas permeability can be considered as zero, however the implementation of these flexible pipes can be very complicated, and the flexibility constraint of the pipe leads to complex solutions.
  • metal "liner" type generally having a resistance in the short time.
  • US-4903735 is known which describes the winding of metal strips on a polymer sheath, and whose edges of the strip are glued together.
  • the collages can not remain intact, which provides leaks at the metal strip.
  • a metal-metal contact is not waterproof, except in static configuration, after careful preparation of the surfaces.
  • the present invention proposes to improve this principle by optimizing a diffusion barrier layer.
  • the device according to the invention proposes to improve this principle by optimizing a diffusion barrier layer.
  • the invention relates to a flexible pipe for transporting a petroleum effluent comprising water and at least one acid compound from carbon dioxide C0 2 and hydrogen sulphide H 2 S, said pipe comprising at least one metal reinforcing element and a pressure sheath, said metal element being disposed outside said pressure sheath, a diffusion barrier being disposed between said pressure sheath and said metal mechanical reinforcing element, characterized in that said diffusion barrier comprises at least one metal strip wound around said pressure-resistant sheath so as to provide a metal covering over a distance of between 35 and 75% of the width of said metal strip and in that a polymeric material is interposed in this covering.
  • said metal strip is at least partially covered by a layer of said polymer material on at least one face.
  • said diffusion barrier is formed by said metal strip and a strip of said polymeric material.
  • said strip of said polymeric material has a width substantially equal to the width of said metal strip.
  • said metal strip is made of stainless steel, carbon steel, nickel alloy, titanium, or aluminum.
  • said polymer material of said diffusion barrier is an elastomer or a thermoplastic polymer chosen from the following grades: NBR (butadiene-acrylonitrile copolymer), CR (Polychloroprene, Neoprene), EPDM (ethylene-propylene-diene monomer), CO (Polychloromethyloxyran), TFE (tetrafluoroethylene), PU (Polyurethane), Silicone, PE (Polyethylene), PA (Polyamide), PVDF (Polyvinylidene Fluoride).
  • NBR butadiene-acrylonitrile copolymer
  • CR Polychloroprene, Neoprene
  • EPDM ethylene-propylene-diene monomer
  • CO Polychloromethyloxyran
  • TFE tetrafluoroethylene
  • PU Polyurethane
  • Silicone PE
  • PE Polyethylene
  • PA Polyamide
  • PVDF Polyvinylidene Fluoride
  • said diffusion barrier comprises at least two layers of metal strip wound flat, the second layer of metal strip forming said covering.
  • said diffusion barrier comprises at least one layer of metal strip wound in S to form said covering.
  • said diffusion barrier comprises at least one metal strip layer wound in "double S" to form said covering.
  • said diffusion barrier has a width of between 25 and 150 mm.
  • the layer of said polymer material of said diffusion barrier has a thickness of between 0.5 mm and 4 mm.
  • said metal strip of said diffusion barrier has a thickness of between 0.2 mm and 2 mm.
  • an elastomer layer is interposed between said diffusion barrier and said metal mechanical reinforcing element.
  • Figure 1 schematically illustrates in perspective a flexible pipe according to the prior art.
  • Figures 2a, 2b and 2c illustrate in section along an axial plane three embodiments of a flexible pipe according to the invention.
  • Figure 3 schematically shows in perspective an embodiment of metal strips according to the invention.
  • FIG. 4 shows a geometrical diagram used for the theoretical evaluations of the efficiency of the diffusion barrier according to the invention.
  • a flexible pipe according to the prior art is shown in FIG. This pipe consists of several layers described below from the inside to the outside of the pipe.
  • the flexible pipe is of the unbonded type and meets the specifications defined in the normative document API 17J.
  • the inner carcass 1 consists of a metal strip wound in a short pitch helix. It is intended for crush resistance under the effect of the external pressure applied to the pipe.
  • the internal sealing sheath 2 is made by extrusion of a polymer material, generally selected from polyolefins, polyamides and fluoropolymers.
  • the pressure vault 3 made of stapled or interlocking metal son ensures resistance to the internal pressure in the pipe.
  • the tensile armor plies 4 consist of metal wires wound helically at angles whose absolute value is between 20 ° and 55 °.
  • the pipe advantageously comprises two superposed layers and crossed traction armor 4, as shown in Figure 1. For example, if the inner web of tensile armor is wound with a helix angle of 30 °, the outer layer of tensile armor is wound with a helix angle of -30 °. This angular symmetry makes it possible to balance the torsional pipe, so as to reduce its tendency to rotate under the effect of a tensile force.
  • the pressure vault 3 can optionally be suppressed because the helix angle of 55 ° gives the traction armor plies 4 good resistance to internal pressure.
  • the outer polymer sheath 5 forms an external protection of the pipe.
  • the pipe shown in FIG. 1 is of the "rough bore” type, that is to say that the fluid circulating in the pipe is in contact with the inner carcass 1.
  • the pipe may be of the "smooth bore" type.
  • the pipe shown in FIG. 1 does not have an internal carcass 1.
  • the polymer sheath 2 is directly in contact with the fluid circulating in the pipe.
  • the flexible pipe according to the invention comprises at least one pressure sheath and at least one metal reinforcing element.
  • metal mechanical reinforcing element means any metal layer of the flexible pipe surrounding the pressure sheath and whose function is to take up mechanical forces to which the pipe is subjected.
  • each sheet of tensile armor made with metal armor son is a metal element mechanical reinforcement.
  • the metal pressure vault is also a metal element mechanical reinforcement.
  • the flexible pipe according to the invention may advantageously comprise at least one of the other layers of the flexible pipe described with reference to FIG. 1, in particular an internal carcass, an outer sealing sheath and / or other additional layers.
  • the flexible pipe according to the invention is of unbound type ("unbonded" in English) and meets the specifications defined in the normative document API 17J
  • the aqueous acidity is limited within the metal mechanical reinforcing element, by placing a diffusion barrier on the pressure sheath in order to limit the consequences of the relative permeability of said pressure sheath to the acid gases.
  • the diffusion barrier is disposed between the pressure sheath and the mechanical reinforcing element.
  • the diffusion barrier comprises at least one metal strip wound around the pressure sheath so as to provide a metal covering.
  • metal covering refers to the fact that a turn of the winding of the metal strip F is superimposed on the preceding turn: two consecutive turns of the winding of the metal strip overlap.
  • the fundamental principle of the diffusion barrier according to the invention is based on the cooperation of an assembly between several materials, each material having a specific function.
  • a metal material is used, namely the strip metal, for its almost total gas tightness (stainless steel for example), and a polymer for its flexibility and limited permeability.
  • polymer it is necessary to understand thermoplastic polymers and elastomers. The presence of a polymer in the coating, like a seal, allows better control of the seal (metal-polymer seal).
  • the diffusion barrier can be formed directly on the outer surface of the pressure sheath of the flexible pipe.
  • a metal layer is wound on the pressure sheath so as to maintain flexibility in the flexible pipe but with a sufficiently wide overlap to create a masking of a part of the diffusion surface (and thus to reduce flows to the directory).
  • the tortuosity created has the effect of increasing the length of the diffusion path and thus reducing the flow rates.
  • the voids of this tortuosity are filled by the polymeric material, preferably low permeability.
  • the metal strip F is wound with a helix angle of absolute value greater than 55 °, preferably greater than 70 °.
  • the diffusion barrier may comprise a metal strip (also called metal strip) covered at least partially by polymer on at least one of the faces of the metal strip.
  • a metal strip at least partially covered with polymer is designated by the term "multilayer strip" (preferably two or three layers).
  • multilayer strip preferably two or three layers.
  • the assembly can take the form of a multilayer strip which, for example, can be wound helically, with a covering around the pressure sheath of the hose during manufacture. This embodiment makes it easier to manufacture the flexible pipe.
  • Adhesion this technique consists of realizing the implementation of the polymer / elastomer directly on the steel strip.
  • the adhesion is both chemical and physical, which ensures better strength and durability.
  • the diffusion barrier may comprise a separate metal strip and a polymer strip. These two strips are not assembled (they are not glued or do not adhere to one another before being added to the pressure-resistant polymer sheath).
  • the polymer strip is arranged at least in the overlap area of the metal strip.
  • the width of the polymer strip is substantially equal to the width of the metal strip.
  • the two strips can be wound independently.
  • the sufficient adhesion (the absence of relative movement) between each strip can be ensured by the laying tension during manufacture and by the internal pressure in service.
  • the metal covering provided by the winding of the metal strip F is made so that the overlap distance (in the longitudinal direction of the flexible pipe) is between 35% and 75% of the width of the the metal strip, to achieve the property of the diffusion barrier.
  • the laying of the metal strip is performed on the previous winding of the metal strip over a distance representing from 35 to 75% of the width of the metal strip.
  • the recovery rate can be chosen according to the width of the metal strip. Above 75%, the thickness of the diffusion barrier would be too great (need four layers of metal strips).
  • the metal overlap distance is greater than 40% of the width of the metal strip, so that the masking is as large as possible.
  • the metal overlap distance is between 45 and 55% of the width of the metal strip.
  • a recovery rate close to 50% is close to optimal to maximize the diffusion barrier property.
  • Figures 2a to 2c show schematically in a section of a flexible pipe, and without limitation, these examples of embodiments of the diffusion barrier according to the invention. In these figures, the elements similar to the elements of the flexible pipe of the prior art illustrated in FIG. 1 bear the same references.
  • a metal inner carcass 1 In the center of the pipe, is arranged a metal inner carcass 1. This internal metal casing 1 is covered with a pressure sheath 2. On the pressure sheath 2, there is provided a diffusion barrier B. Within this diffusion barrier B, metal strips F are wound with a polymer material P interposed between the covering of the metal strips. Outside the diffusion barrier B are arranged a metal pressure vault 3, metal tensile armor plies 4 and an outer polymer sealing sheath 5.
  • the reference T identifies the length of the overlap or length of tortuosity filled with polymeric material.
  • This winding can for example be made flat in the form of two layers (metal strip and polymer) superimposed with longitudinal overlap (Figure 2a).
  • the two layers have a substantially identical width.
  • the recovery is substantially equal to 50%.
  • the winding is made in a form of "double S", this embodiment relates to a metal covering greater than 50% of the width of the strip. In this way, three metal strips are superimposed. For this embodiment, the recovery is substantially equal to 66%.
  • the pipes shown in Figures 2a, 2b, 2c are of the "rough bore” type, that is to say that the fluid circulating in the pipe is in contact with the internal carcass.
  • the pipes may be of the "smooth bore" type.
  • the pipes respectively represented by FIGS. 2a, 2b and 2c do not comprise an internal carcass 1.
  • the polymer sheath 2 is directly in contact with the fluid circulating in the pipe.
  • the metal strip F is preferably placed with a certain tension to ensure contact between the different layers and with the pressure sheath 2 in all the conditions of use of the hose, whether in production or in stop. In operation, the pressure inside the hose helps to further ensure the confinement of the layers.
  • the manufacture of the diffusion barrier B around the pressure sheath 2 can be carried out in different ways.
  • it may be made by helical winding of a metal band F at least partially covered by a polymer layer P on at least one face, that is to say by the winding of a multilayer strip.
  • FIGS. 3 are a diagrammatic and nonlimiting illustration of the winding of a metal strip F on a sheath 2.
  • the metal strip F is covered with a polymer, not shown.
  • the final geometry of the tortuosity therefore depends on the laying mode (flat, S, double S, or other) and the geometry of the metal layer.
  • a first layer of metal strip (steel strip) is wrapped around the hose, and the polymer is extruded directly onto the metal strip, then the diffusion barrier is formed by adding a second strip of steel strip with sufficient overlap to form tortuosity, and in the case of an elastomer, the crosslinking can be carried out after the laying of the metal strips.
  • This embodiment is more difficult to control in manufacture, but has the advantage of being able to produce a continuous elastomeric or polymer sheath, with no gap between each metal strip which is entirely embedded in the polymer.
  • the thickness of the metal strip of the diffusion barrier may be between 0.2 and 2 mm. Such a thickness range makes it possible to correctly ensure the barrier function against the diffusion of acid gases, and makes it possible to carry out the laying with a machine that is not very powerful (for example a tape machine). In addition, such a thickness makes it possible to limit the mass and the cost of the flexible pipe.
  • the thickness of the polymer layer (bonded or not to the metal strip) of the diffusion barrier may be between 0.5 and 4 mm. This thickness can be chosen according to the width of the polymer layer. In particular, it is possible to choose a thickness / width ratio of the polymer layer so as to guarantee the tortuosity of the diffusion barrier. Such a thickness of polymer ensures the effect of tortuosity (diffusion barrier role), while ensuring sealing.
  • the width of the metal strip of the diffusion barrier is between 25 and 150 mm.
  • a 4 mm thick polymer matrix is considered in which are embedded impermeable metal strips of length L, separated by a thickness e_T of polymer.
  • the recovery is here of the order of 50%.
  • the flow rate of a gas through this assembly, Q is compared to the flow rate of the same gas in the same polymer thickness, Q 0 , without the metal foils.
  • the ratio Q / Q 0 represents the reduction factor of the permeability of the assembly, and makes it possible directly to quantify the barrier effect of an assembly. The smaller this ratio, the greater the permeability reduction and the greater the barrier effect.
  • the calculations carried out on this geometry made it possible to determine the evolution of the barrier property according to the width of the strip and the thickness of the tortuosity, for a given recovery rate.
  • a recovery rate of about 50% is close to optimal to maximize the barrier property, all things being equal.
  • a width L of metal strip of between 25 mm and about 150 mm is suitable and the overlap can be between 35 mm. % and 75%, preferably greater than 40%, although 50% is preferably the best compromise.
  • the main results of the calculations relate to the installation of a diffusion barrier comprising several bi-material strips (polymer-coated metal strip according to the first embodiment of the invention), 100 mm wide, laid flat or S-shaped. a pressure sheath of polymer (polyamide, PA) 5 mm thick.
  • the flow rate calculations Q on these assemblies were compared to the flow rate Q 0 in a polymer pressure sheath (PA) of the same total thickness (and without diffusion barrier according to the invention), namely 7 mm or 9 mm according to the invention. barrier thickness considered.
  • a diffusion barrier according to the invention composed of HNBR (hydrogenated acrylonitrile butadiene rubber) and stainless steel laid flat in the form of 2 layers of 1 mm on a pressure sheath of 5 mm PA (polymer) has a flow 40 times lower than the same total thickness of PA (7 mm in this case).
  • HNBR hydrogenated acrylonitrile butadiene rubber
  • PA polymer
  • the rate reduction factor goes from 22 to 165.
  • the permeability of the PA is 14 times lower than that of the HNBR.
  • the metal strips can accommodate bending of the flexible pipe "slipping" without deformation, or almost.
  • the strips are then chosen thick enough to have enough rigidity.
  • the sliding can be either a real slip, but this can generate wear and require lubrication, or be accommodated by a flexible intermediate layer of a polymeric material capable of shear without generating significant effort in the metal strip or the substrate. This function is performed by the polymer material interposed in the metal covering provided by the winding of the metal strip.
  • an elastomeric layer is interposed between the pressure sheath and the metal strip to prevent direct sliding between the two elements.
  • the metal strip is made of a metallic material of the superelastic type, this "sliding" is limited or even avoided.
  • the polymeric material may preferentially also support openings and closures between two metal strips, which will generate significant localized deformations in the elastomer.
  • the polymeric material present in the tortuosity may have specific characteristics in terms of:
  • the methods for determining these characteristics are generally quite conventional: permeability tests for different gases and liquids, aging in representative atmospheres, mechanical tests (traction, compression, creep, fatigue, hardness, etc.).
  • the polymer of the diffusion barrier may be an elastomer or a thermoplastic polymer.
  • Viton ® The Chemistry Company, USA
  • Butyl are among the least permeable grades, and therefore adapted to the diffusion barrier according to the invention. It is found that permeability decreases with increasing hardness. So there is certainly a compromise to find between permeability (the lowest possible) and mechanical properties (flexibility in shear, fatigue resistance). The price of these materials can be a factor of choice.
  • HNBR 80 or 90 Shore examples include: HNBR 80 or 90 Shore, AFLAS 80 Shore ® (Seal and design, USA), VITON 75 or 80 Shore ® (The Chemistry Company, USA), HYPALON 60 Shore ® (DuPont, USA), BUTYL 60 Shore, COFLON XD ® (TECHNIP, France).
  • the polymer material of the diffusion barrier may be chosen from the following grades: NBR (butadiene-acrylonitrile copolymers), CR (Polychloroprene, Neoprene), EPDM (ethylene-propylene-diene monomer), CO (Polychloromethyloxyran), TFE (Tetrafluoroethylene), PU (Polyurethane), Silicone, PE (Polyethylene), PA (Polyamide), PVDF (Polyvinylidene Fluoride).
  • NBR butadiene-acrylonitrile copolymers
  • CR Polychloroprene, Neoprene
  • EPDM ethylene-propylene-diene monomer
  • CO Polychloromethyloxyran
  • TFE Tetrafluoroethylene
  • PU Polyurethane
  • Silicone Polyethylene
  • PE Polyethylene
  • PA Polyamide
  • PVDF Polyvinylidene Fluoride
  • the polymer material used to produce the diffusion barrier of a riser pipe typically subjected to static and dynamic stresses may be chosen from elastomers, due to their good mechanical properties for shearing.
  • the polymer material used to produce the diffusion barrier of a flexible pipe extending on the seabed (“flowline") typically subjected to static stresses may be chosen from polyamides , which are more rigid, allow to limit the slip, and are inexpensive.
  • the specification of the metal strip (metal strip of the diffusion barrier) may take into account the corrosivity of the ring medium, and the use of a stainless steel may not be sufficient.
  • the corrosion resistance of many metallic materials is studied and the determination of the best grade of steel to be used depending on the operating conditions can be chosen.
  • the metal strip may be made of characteristic low carbon steels with good corrosion resistance. Indeed, the corrosion of this type of steel is in the form of generalized corrosion, generally slower, than the pitting corrosion formed in some steels.

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Abstract

L'invention concerne une conduite pour transporter un effluent pétrolier comportant de l'eau et au moins un composé acide parmi le dioxyde de carbone CO2 et l'hydrogène sulfuré H2S, la conduite comportant au moins un élément métallique de renfort mécanique (3, 5) et une gaine tubulaire polymère de pression (2), ledit élément métallique (3, 5) étant disposé à l'extérieur de ladite gaine de pression (2), une barrière de diffusion (B) étant disposée entre ladite gaine de pression (2) et ledit élément métallique de renfort mécanique (3, 5). Selon l'invention, ladite barrière (B) comporte au moins une bande métallique (F) enroulée autour de la gaine (2) de façon à procurer un recouvrement métallique compris entre 35 et 75% et un matériau polymère (P) intercalé dans ce recouvrement.

Description

CONDUITE FLEXIBLE DE TRANSPORT DE FLUIDE PETROLIER COMPRENANT UNE BARRIERE CONTRE LA DIFFUSION
La présente invention concerne une conduite tubulaire flexible pour le transport de fluide pétrolier utilisée dans le domaine de l'exploitation pétrolière en mer.
Les conduites flexibles visées par la présente invention sont formées d'un ensemble de différentes couches concentriques et superposées, et sont dites de type non lié (« unbonded » en anglais) car ces couches présentent une certaine liberté de déplacement des unes par rapport aux autres. Ces conduites flexibles satisfont entre autres aux recommandations des documents normatifs API 17J « Spécification for Unbonded Flexible Pipe » (4eme édition, Mai 2014) et API 17B « Recommended Practice for Flexible Pipe » (5ème édition, Mars 2014) publiés par l'American Petroleum Institute. Les couches constitutives des conduites flexibles comprennent notamment des gaines polymériques assurant généralement une fonction d'étanchéité, et des couches de renfort destinées à la reprise des efforts mécaniques et formées par des enroulements de feuillard, de fils métalliques, de bandes diverses ou de profilés en matériaux composites.
Ces conduites flexibles sont notamment utilisées pour transporter des hydrocarbures de type pétrole ou gaz depuis un équipement sous-marin situé sur le fond marin, par exemple une tête de puits, jusqu'à une unité flottante de production située à la surface. De telles conduites peuvent être déployées à grande profondeur, couramment à plus de 2000m de profond, et elles doivent donc être capables de résister à une pression hydrostatique de plusieurs centaines de bar. En outre elle doivent aussi pouvoir résister à la pression très élevée des hydrocarbures transportés, cette pression pouvant elle aussi être de plusieurs centaines de bar.
Lorsque la conduite flexible est en service, elle peut être soumise à de fortes charges statiques et dynamiques, ce qui peut engendrer un phénomène de fatigue. Les chargements les plus sévères sont généralement observés dans la partie supérieure des conduites montantes ("risers" en langue anglaise) reliant le fond marin à la surface. En effet, dans cette zone, la conduite flexible est soumise à une forte contrainte statique en tension liée au poids de la conduite, à laquelle s'additionnent des contraintes dynamiques en tension et en flexion transverse liées aux mouvements de l'unité flottante de production sous l'effet de la houle et des vagues. S'agissant de la partie de la conduite flexible s'étendant sur le fond marin ("flowlines" en langue anglaise), les charges appliquées sont essentiellement statiques. Les conduites flexibles de type non lié les plus utilisées dans l'industrie pétrolière offshore comprennent généralement, de l'intérieur vers l'extérieur, une carcasse interne constituée d'un feuillard en acier inoxydable profilé et enroulé hélicoïdalement à pas court en spires agrafées les unes aux autres, ladite carcasse interne servant principalement à empêcher l'écrasement de la conduite flexible sous l'effet de la pression externe, une gaine interne d'étanchéité en polymère, une voûte de pression constituée d'au moins un fil métallique de forme agrafé et enroulé hélicoïdalement à pas court, ladite voûte de pression servant à reprendre les efforts radiaux liés à la pression interne, des nappes d'armures de traction formées d'enroulements hélicoïdaux à pas long de fils métalliques ou composites, lesdites nappes d'armures de traction étant destinées à reprendre les efforts longitudinaux que subit la conduite flexible, et enfin une gaine externe d'étanchéité destinée à protéger de l'eau de mer les couches de renfort. Dans la présente demande, on entend par enroulement à pas court tout enroulement ayant un angle d'hélice dont la valeur absolue est proche de 90 degrés, en pratique compris entre 70 degrés et 90 degrés. Le terme enroulement à pas long désigne quant à lui tout enroulement dont l'angle d'hélice est inférieur ou égal, en valeur absolue, à 55 degrés.
Dans la présente demande, les termes « gaine interne d'étanchéité » et « gaine de pression » ont la même signification et sont utilisés indifféremment.
La carcasse interne permet à la conduite flexible d'avoir une résistance à l'écrasement (« collapse » en anglais) suffisante pour lui permettre de résister à de fortes pressions externes, notamment la pression hydrostatique lorsque la conduite flexible est immergée à grande profondeur (1000m, voire 2000m, ou plus), ou encore les pressions externes de contact subies pendant les opérations de manutention et d'installation en mer. Une conduite flexible comportant une carcasse interne est dite à passage non lisse (« rough bore » en anglais) car l'élément le plus intérieur est la carcasse interne qui forme un passage non lisse en raison des déjoints entre les spires métalliques du feuillard agrafé.
La voûte de pression a pour fonction principale de permettre à la gaine interne d'étanchéité de résister, sans éclater, à la pression exercée par le fluide pétrolier transporté par la conduite, la face externe de la gaine interne d'étanchéité prenant appui contre la face interne de la voûte de pression. La voûte de pression contribue aussi à améliorer la résistance à l'écrasement de la carcasse interne, notamment car elle limite les possibilités de déformation de la carcasse interne sous l'effet de la pression hydrostatique. La fonction principale des nappes d'armures de traction est de reprendre les efforts longitudinaux, notamment ceux liés au poids pendu de la conduite flexible lorsque celle-ci est installée sur le fond marin à partir d'un bateau de pose situé à la surface. Dans le cas d'une conduite montante (« riser » en anglais) reliant de façon permanente une installation posée sur le fond marin à un équipement flottant à la surface, ces efforts longitudinaux liés au poids pendu sont exercés en permanence. Lorsque la conduite est immergée à grande profondeur, les efforts longitudinaux liés au poids pendu lors de l'installation et/ou en service peuvent atteindre plusieurs centaines de tonnes. Le fluide pétrolier transporté par la conduite flexible comprend les hydrocarbures extraits de certains champs pétroliers qui peuvent être extrêmement corrosifs. C'est le cas en particulier des hydrocarbures polyphasiques comportant de fortes pressions partielles en hydrogène sulfure (H2S), typiquement au moins 2 bar, et/ou en dioxyde de carbone (C02), typiquement au moins 5 bar, et présentant en outre une forte concentration en chlorures, typiquement au moins 50000 ppm. De tels fluides sont généralement très acides (pH < 4,5). En outre, leur température peut excéder 90 0 C voire 130 0 C.
La carcasse interne est en contact direct avec ces fluides corrosifs et doit donc être réalisée dans un matériau très résistant à la corrosion, par exemple un acier inoxydable. Par contre, la voûte de pression et les armures de traction sont isolées de ces fluides grâce à la gaine interne d'étanchéité, et se trouvent donc dans un environnement nettement moins corrosif que celui de la carcasse interne, car seuls certains gaz corrosifs peuvent lentement diffuser à travers la gaine interne d'étanchéité. Par suite, la voûte de pression et les armures de traction peuvent être réalisées en acier au carbone nettement moins coûteux que l'acier inoxydable utilisé pour la carcasse interne.
Bien que la gaine de pression (gaine interne d'étanchéité) soit étanche aux hydrocarbures et aux autres fluides transportés tels que l'eau, de petites quantités de gaz peuvent lentement diffuser à travers cette dernière, notamment lorsque la température et sa pression sont élevées. Ce phénomène concerne principalement des molécules de petite taille, notamment l'eau en phase vapeur, et les gaz de dioxyde de carbone (C02), de sulfure d'hydrogène (H2S) et de méthane (CH4). Ainsi, lorsque le fluide pétrolier contient un ou plusieurs de ces gaz, ce ou ces derniers peuvent diffuser à travers la gaine de pression et venir s'accumuler dans l'espace annulaire situé entre la gaine de pression et la gaine externe d'étanchéité. La présence de ces gaz de diffusion dans l'espace annulaire peut générer un milieu corrosif pour les fils métalliques de la voûte de pression et des armures de traction. Ces mécanismes de migration et de corrosion sont amplifiés notamment par la température et par les teneurs en espèces acides. Il est possible d'anticiper l'effet de la corrosion par une sélection rigoureuse des grades d'acier utilisés (acier « sour-service ») et par des épaisseurs d'acier adaptées pour la voûte de pression et pour les armures de traction. Il est connu qu'un grade d'acier pour milieu acide (« sour-service ») est plus cher à l'achat qu'un grade d'acier pour milieu sensiblement neutre (« sweet-service »), et aboutit à une structure de flexible plus lourde car, à section égale, un grade d'acier « sour-service » possède de moins bonnes propriétés mécaniques qu'un acier « sweet-service ». Le document EP 844 429 propose d'introduire, dans une gaine en matériau polymère, des produits chimiquement actifs avec les composés acides (H2S et/ou C02) de manière à neutraliser irréversiblement les effets corrosifs desdits composés acides et de manière à éviter les effets corrosifs sur les parties métalliques de la conduite. D'autres solutions proposent d'utiliser des gaines continues métalliques dont la perméabilité aux gaz peut être considérée comme nulle, cependant la mise en œuvre de ces conduites flexibles peut être très compliquée, et la contrainte de flexibilité de la conduite amène à des solutions complexes du type « liner » métallique présentant généralement une résistance dans le temps insuffisante.
On connaît le document US-4903735 qui décrit l'enroulement de bandes métalliques sur une gaine en polymère, et dont les bords de la bande sont collés entre eux. Cependant, lors de l'enroulement de la conduite sur bobine, les collages ne peuvent rester intègres, ce qui procure des fuites au niveau de la bande métallique. En effet un contact métal-métal n'est pas étanche, sauf en configuration statique, après préparation minutieuse des surfaces.
La présente invention se propose de perfectionner ce principe en optimisant une couche barrière de diffusion. Le dispositif selon l'invention
L'invention concerne une conduite flexible pour transporter un effluent pétrolier comportant de l'eau et au moins un composé acide parmi le dioxyde de carbone C02 et l'hydrogène sulfuré H2S, ladite conduite comportant au moins un élément métallique de renfort mécanique et une gaine de pression, ledit élément métallique étant disposé à l'extérieur de ladite gaine de pression, une barrière de diffusion étant disposée entre ladite gaine de résistance à la pression et ledit élément métallique de renfort mécanique, caractérisée en ce que ladite barrière de diffusion comporte au moins une bande métallique enroulée autour de ladite gaine de résistance à la pression de façon à procurer un recouvrement métallique sur une distance comprise entre 35 et 75% de la largeur de ladite bande métallique et en ce qu'un matériau polymère est intercalé dans ce recouvrement.
Selon un mode de réalisation, ladite bande métallique est recouverte au moins partiellement par une couche dudit matériau polymère sur au moins une face.
Alternativement, ladite barrière de diffusion est formée par ladite bande métallique et par une bande dudit matériau polymère.
Avantageusement, ladite bande dudit matériau polymère a une largeur sensiblement égale à la largeur de ladite bande métallique.
Conformément à une mise en œuvre, ladite bande métallique est en acier inox, en acier au carbone, en alliage de Nickel, de Titane, ou d'Aluminium.
De manière avantageuse, ledit matériau polymère de ladite barrière de diffusion est un élastomère ou un polymère thermoplastique choisi parmi les grades suivants : NBR (copolymère butadiène-acrylonitrile), CR (Polychloroprène, Néoprène), EPDM (éthylène- propylène-diène monomère), CO (Polychlorométhyloxyrane), TFE (tétrafluoroéthylène), PU (Polyuréthane), Silicone, PE (polyéthylène), PA (polyamide), PVDF (Polyfluorure de vinylidène).
Selon une option de réalisation, ladite barrière de diffusion comporte au moins deux couches de bande métallique enroulées à plat, la deuxième couche de bande métallique formant ledit recouvrement.
En alternative, ladite barrière de diffusion comporte au moins une couche de bande métallique enroulée en S pour former ledit recouvrement.
En variante, ladite barrière de diffusion comporte au moins une couche de bande métallique enroulée en « double S » pour former ledit recouvrement.
Conformément à un mode de réalisation, ladite barrière de diffusion a une largeur comprise entre 25 et 150 mm.
Selon une mise en œuvre de l'invention, la couche dudit matériau polymère de ladite barrière de diffusion a une épaisseur comprise entre 0,5 mm et 4 mm.
Selon un mode de réalisation, ladite bande métallique de ladite barrière de diffusion a une épaisseur comprise entre 0,2 mm et 2 mm.
Conformément à une option de réalisation une couche d'élastomère est intercalée entre ladite barrière de diffusion et ledit élément métallique de renfort mécanique. Présentation succincte des figures
D'autres caractéristiques et avantages du procédé selon l'invention, apparaîtront à la lecture de la description ci-après d'exemples non limitatifs de réalisations, en se référant aux figures annexées et décrites ci-après.
La figure 1 illustre schématiquement en perspective une conduite flexible selon l'art antérieur.
Les figures 2a, 2b et 2c illustrent en coupe suivant un plan axial trois modes de réalisation d'une conduite flexible selon l'invention.
La figure 3 représente schématiquement en perspective un mode de réalisation de bandes métalliques selon l'invention.
La figure 4 montre un schéma géométrique utilisé pour les évaluations théoriques de l'efficacité de la barrière de diffusion selon l'invention. Une conduite flexible selon l'art antérieur est représentée par la figure 1 . Cette conduite est constituée de plusieurs couches décrites ci-après de l'intérieur vers l'extérieur de la conduite. La conduite flexible est de type non liée (« unbonded » en anglais) et répond aux spécifications définies dans le document normatif API 17J.
La carcasse interne 1 est constituée d'une bande métallique enroulée selon une hélice à pas court. Elle est destinée à la résistance à l'écrasement sous l'effet de la pression externe appliquée à la conduite.
La gaine interne d'étanchéité 2 est réalisée par extrusion d'un matériau polymère, en général choisi parmi les polyoléfines, les polyamides et les polymères fluorés.
La voûte de pression 3 réalisée en fils métalliques agrafés ou emboîtables assure la résistance à la pression interne dans la conduite.
Les nappes d'armures de traction 4 sont constituées par des fils métalliques enroulés en hélice selon des angles dont la valeur absolue est comprise entre 20° et 55°. La conduite comporte avantageusement deux nappes superposées et croisées d'armures de traction 4, comme représenté sur la figure 1 . Par exemple, si la nappe interne d'armures de traction est enroulée avec un angle d'hélice égal à 30°, la nappe externe d'armures de traction est enroulée avec un angle d'hélice égal à -30°. Cette symétrie angulaire permet d'équilibrer la conduite en torsion, de façon à réduire sa tendance à tourner sous l'effet d'un effort de traction.
Lorsque les deux nappes superposées et croisées d'armure de traction 4 sont enroulées avec un angle d'hélice sensiblement égal à 55°, la voûte de pression 3 peut optionnellement être supprimée car l'angle d'hélice de 55° confère aux nappes d'armure de traction 4 une bonne résistance à la pression interne.
La gaine externe d'étanchéité 5 en polymère forme une protection externe de la conduite.
La conduite représentée par la figure 1 est du type "rough bore", c'est-à-dire que le fluide en circulation dans la conduite est en contact avec la carcasse interne 1 .
Alternativement, la conduite peut être du type "smooth bore". Dans ce cas, la conduite représentée par la figure 1 ne comporte pas de carcasse interne 1 . La gaine polymère 2 est directement en contact avec le fluide en circulation dans la conduite.
Description détaillée de l'invention
La conduite flexible selon l'invention comporte au moins une gaine de pression et au moins un élément métallique de renfort mécanique. Dans la présente demande le terme « élément métallique de renfort mécanique » désigne n'importe quelle couche métallique de la conduite flexible entourant la gaine de pression et dont la fonction est de reprendre des efforts mécaniques auquel est soumis la conduite. Ainsi, chaque nappe d'armure de traction réalisée avec des fils d'armure métalliques constitue un élément métallique de renfort mécanique. En outre, la voûte de pression métallique constitue elle aussi un élément métallique de renfort mécanique. De plus, la conduite flexible selon l'invention peut avantageusement comporter au moins une des autres couches de la conduite flexible décrites en référence à la figure 1 , notamment une carcasse interne, une gaine externe d'étanchéité et/ou d'autres couches supplémentaires. De préférence, la conduite flexible selon l'invention est de type non liée (« unbonded » en anglais) et répond aux spécifications définies dans le document normatif API 17J
Selon la présente invention, on limite l'acidité aqueuse au sein de l'élément métallique de renfort mécanique, en disposant une barrière de diffusion sur la gaine de pression afin de limiter les conséquences de la perméabilité relative de ladite gaine de pression aux gaz acides. La barrière de diffusion est disposée entre la gaine de pression et l'élément de renfort mécanique.
Selon l'invention, la barrière de diffusion comporte au moins une bande métallique enroulée autour de la gaine de pression de façon à procurer un recouvrement métallique. On appelle recouvrement métallique, le fait qu'une spire de l'enroulement de la bande métallique F se superpose à la spire précédente : deux spires consécutives de l'enroulement de la bande métallique se chevauchent. Le principe fondamental de la barrière de diffusion selon l'invention est fondé sur la coopération d'un assemblage entre plusieurs matériaux, chaque matériau ayant une fonction spécifique. On utilise un matériau métallique, à savoir la bande métallique, pour son étanchéité quasi-totale aux gaz (acier inoxydable par exemple), et un polymère pour sa souplesse et sa perméabilité limitée. Par le terme de polymère, il faut comprendre les polymères thermoplastiques et les élastomères. La présence d'un polymère dans le recouvrement, à l'instar d'un joint, permet de mieux contrôler l'étanchéité (étanchéité métal-polymère).
Avantageusement, la barrière de diffusion peut être formée directement sur la surface externe de la gaine de pression de la conduite flexible. Dans ce but, une couche métallique est enroulée sur la gaine de pression de manière à conserver une certaine flexibilité à la conduite flexible mais avec un recouvrement suffisamment large pour créer un masquage d'une partie de la surface de diffusion (et donc de réduire les débits vers l'annuaire). La tortuosité créée a pour effet d'augmenter la longueur du chemin de diffusion et donc de réduire les débits. Les espaces vides de cette tortuosité sont comblés par le matériau polymère, de préférence faiblement perméable.
Avantageusement, la bande métallique F est enroulée avec un angle d'hélice de valeur absolue supérieure à 55°, préférentiellement supérieure à 70°.
Selon un premier mode de réalisation de l'invention, la barrière de diffusion peut comporter une bande métallique (également appelée feuillard métallique) recouverte par au moins partiellement par du polymère sur au moins un des faces de la bande métallique. Ainsi, le polymère est fixé directement sur la bande métallique. Une telle bande métallique recouverte au moins partiellement de polymère est désignée par le terme « bande multicouche » (préférentiellement bi ou tri couches). De cette manière, l'assemblage peut prendre la forme d'une bande multicouches qui, par exemple, peut être enroulée de manière hélicoïdale, avec recouvrement autour de la gaine de pression du flexible lors de la fabrication. Ce mode de réalisation permet de faciliter la fabrication de la conduite flexible.
Pour assurer une adhésion déterminée entre un polymère et un feuillard métallique, on peut envisager plusieurs techniques de réalisation :
- le collage (uniquement pour certains polymères/élastomères). Cette solution présente l'avantage d'être peu onéreuse.
- I'« adhérisation », cette technique consiste à réaliser la mise en œuvre du polymère/élastomère directement sur le feuillard acier. L'adhésion est à la fois chimique et physique, ce qui assure une meilleure résistance et durabilité.
Selon un deuxième mode de réalisation de l'invention, la barrière de diffusion peut comporter une bande métallique et une bande polymère distinctes. Ces deux bandes ne sont pas assemblées (elles ne sont pas collées ou n'adhèrent pas l'une sur l'autre avant leur ajout sur la gaine de polymère de résistance à la pression). La bande polymère est agencée au moins dans la zone de recouvrement de la bande métallique. De manière avantageuse, la largeur de la bande polymère est sensiblement égale à la largeur de la bande métallique. Ainsi, il est possible de réaliser la pose simultanée des bandes, et de cette manière faciliter la fabrication de la conduite flexible. Alternativement, les deux bandes (de largeur sensiblement égale ou non) peuvent être enroulées de manière indépendante. De préférence, l'adhésion suffisante (l'absence de mouvement relatif) entre chaque bande peut être assurée par la tension de pose lors de la fabrication et par la pression interne en service.
Selon l'invention, le recouvrement métallique procuré par l'enroulement de la bande métallique F est réalisé de telle sorte que la distance de recouvrement (selon la direction longitudinale de la conduite flexible) est comprise entre 35 % et 75 % de la largeur de la bande métallique, pour réaliser la propriété de la barrière de diffusion. Ainsi, la pose de la bande métallique est réalisée sur l'enroulement précédent de la bande métallique sur une distance représentant de 35 à 75 % de la largeur de la bande métallique. Le taux de recouvrement peut être choisi en fonction de la largeur de la bande métallique. Au-delà de 75 %, l'épaisseur de la barrière de diffusion serait trop importante (besoin de quatre couches de bandes métalliques). De manière avantageuse, pour augmenter la propriété de barrière de diffusion la distance de recouvrement métallique est supérieure à 40 % de la largeur de la bande métallique, de manière à ce que le masquage soit le plus important possible. De préférence, pour optimiser cette propriété de barrière de diffusion, la distance de recouvrement métallique est comprise entre 45 et 55 % de la largeur de la bande métallique. En effet, un taux de recouvrement proche de 50 % est proche de l'optimal pour maximiser la propriété barrière de diffusion. Plusieurs modes de réalisations peuvent être envisagés pour la réalisation de la barrière de diffusion. Parmi ces modes de réalisation, on peut citer notamment le recouvrement à plat, le recouvrement en S et le recouvrement « en double S » (pour ce recouvrement, la bande métallique forme trois paliers sensiblement plats séparés par deux parties courbes). Les figures 2a à 2c montrent schématiquement selon une coupe d'une conduite flexible, et de manière non limitative, ces exemples de réalisations de la barrière de diffusion selon l'invention. Sur ces figures, les éléments similaires aux éléments de la conduite flexible de l'art antérieur illustrée en figure 1 portent les mêmes références.
Au centre de la conduite, est agencée une carcasse interne métallique 1 . Cette carcasse interne métallique 1 est recouverte d'une gaine de pression 2. Sur la gaine de pression 2, est prévue une barrière de diffusion B. Au sein de cette barrière de diffusion B, des bandes métalliques F sont enroulées avec un matériau polymère P intercalé entre le recouvrement des bandes métalliques. A l'extérieur de la barrière de diffusion B sont agencées une voûte de pression 3 métallique, des nappes d'armure de traction 4 métalliques et une gaine externe d'étanchéité 5 en polymère. La référence T identifie la longueur du recouvrement ou longueur de tortuosité remplie de matériau polymère.
Cet enroulement peut par exemple être réalisé à plat sous forme de deux couches (bande métallique et polymère) superposées avec recouvrement longitudinal (figure 2a). Les deux couches ont une largeur sensiblement identique. Pour cette réalisation, le recouvrement est sensiblement égal à 50 %.
Selon la figure 2b, on peut aussi réaliser une pose en S avec recouvrement longitudinal. Pour cette configuration, une partie de la bande métallique F recouvre directement la gaine de pression 2, et une autre partie recouvre un autre enroulement de la bande métallique F. Pour cette réalisation, le recouvrement est sensiblement égal à 50 %.
Selon le mode de réalisation de la figure 2c, l'enroulement est réalisé selon une forme de « double S », cette réalisation concerne un recouvrement métallique supérieur à 50 % de la largeur de la bande. De cette manière, trois bandes métalliques sont superposées. Pour cette réalisation, le recouvrement est sensiblement égal à 66 %.
Les conduites représentées sur les figures 2a, 2b, 2c sont du type "rough bore", c'est- à-dire que le fluide en circulation dans la conduite est en contact avec la carcasse internel .
Alternativement, les conduites peuvent être du type "smooth bore". Dans ce cas, les conduites représentées respectivement par les figures 2a, 2b et 2c ne comportent pas de carcasse interne 1 . La gaine polymère 2 est directement en contact avec le fluide en circulation dans la conduite.
La présence d'un polymère dans la tortuosité, à l'instar d'un joint, permet d'optimiser l'étanchéité (étanchéité métal-polymère) de la barrière de diffusion B. Pour cela, la bande métallique F est de préférence posée avec une certaine tension pour assurer un contact entre les différentes couches et avec la gaine de pression 2 dans toutes les conditions d'utilisation du flexible, que ce soit en production ou en arrêt. En service, la pression interne au flexible contribue à assurer encore davantage le confinement des couches.
La fabrication de la barrière de diffusion B autour de la gaine de pression 2 peut être réalisée de différentes manières. De préférence, elle peut être réalisée par enroulement hélicoïdal d'une bande métallique F recouverte au moins partiellement par une couche de polymère P sur au moins une face, c'est-à-dire par l'enroulement d'une bande multicouche.
La bande métallique peut présenter différentes géométries. Les figures 3 illustre, de manière schématique et non limitative, l'enroulement d'une bande métallique F sur une gaine 2. La bande métallique F est recouverte d'un polymère non représenté.
La géométrie finale de la tortuosité dépend donc du mode de pose (à plat, en S, en double S, ou autre) et de la géométrie de la couche métallique. Conformément à une variante de réalisation de l'invention, on peut envisager une méthode de fabrication de la barrière de diffusion à partir de bandes métalliques nues (non revêtues). Une première couche de bande métallique (feuillard en acier) est enroulée autour du flexible, et le polymère est extrudé directement sur le feuillard métallique, puis on forme la barrière de diffusion par ajout d'une deuxième bande de feuillard acier avec recouvrement suffisant pour former la tortuosité, et dans le cas d'un élastomère, la réticulation peut être réalisée après la pose des bandes métalliques. Ce mode de réalisation est plus difficile à contrôler en fabrication, mais présente l'intérêt de pouvoir réaliser une gaine élastomère ou polymère continue, sans espace entre chaque bande métallique qui est entièrement noyée dans le polymère.
Conformément à un mode de réalisation de l'invention, l'épaisseur de la bande métallique de la barrière de diffusion peut être comprise entre 0,2 et 2 mm. Une telle gamme d'épaisseur permet d'assurer correctement la fonction de barrière contre la diffusion des gaz acides, et permet de réaliser la pose avec une machine peu puissante (par exemple une rubaneuse). En outre une telle épaisseur permet de limiter la masse et le coût de la conduite flexible. Conformément à un mode de réalisation de l'invention, l'épaisseur de la couche polymère (collée ou non à la bande métallique) de la barrière de diffusion peut être comprise entre 0,5 et 4 mm. Cette épaisseur peut être choisie en fonction de la largeur de la couche de polymère. En particulier, on peut choisir un ratio épaisseur/largeur de la couche polymère de manière à garantir la tortuosité de la barrière de diffusion. Une telle épaisseur de polymère permet d'assurer l'effet liée à la tortuosité (rôle de barrière de diffusion), tout en garantissant l'étanchéité.
Avantageusement, la largeur de la bande métallique de la barrière de diffusion est comprise entre 25 et 150 mm. Ainsi, il est possible d'utiliser les moyens de productions actuels utilisés pour les autres couches de la conduite flexible.
Une étude par éléments finis de nombreuses configurations théoriques a permis de déterminer l'impact des principaux paramètres géométriques et physiques de la barrière de diffusion sur la réduction de perméabilité : impact de la largeur de la couche métallique, de l'épaisseur de la tortuosité, de sa longueur, de sa position, de sa perméabilité, de l'espace entre deux bandes successives, etc. Dans la plupart des cas, la réduction de perméabilité est importante : d'un facteur 10 à 106 selon la configuration et les matériaux utilisés. Le choix de la meilleure configuration est toujours un compromis qui prend en compte au moins : le mode d'utilisation du flexible, les conditions de pression et de température, les dimensions du flexible, le comportement mécanique du flexible et les coûts. Des premiers calculs ont été réalisés à partir d'une géométrie théorique de barrière de diffusion selon le schéma de la figure 4. On considère une matrice de polymère de 4 mm d'épaisseur dans laquelle sont noyées des bandes métalliques imperméables de longueur L, séparées par une épaisseur e_T de polymère. Le recouvrement est ici de l'ordre de 50%. Le débit d'un gaz à travers cet assemblage, Q, est comparé au débit du même gaz dans la même épaisseur de polymère, Q0, sans les feuilles métalliques. Le ratio Q/Q0 représente le facteur de réduction de la perméabilité de l'assemblage, et permet directement de quantifier l'effet barrière d'un assemblage. Plus ce ratio est petit, plus la réduction de perméabilité et plus l'effet barrière sont importants. Les calculs réalisés sur cette géométrie ont permis de déterminer l'évolution de la propriété barrière selon la largeur du feuillard et l'épaisseur de la tortuosité, pour un taux de recouvrement donné. Il est aussi possible de faire varier le taux de recouvrement, et on a montré par le calcul qu'un taux de recouvrement d'environ à 50% est proche de l'optimal pour maximiser la propriété barrière, toutes choses égales par ailleurs. Cependant, compte tenu des autres contraintes, mécaniques, de fabrication, ou de coûts, on peut considérer que pour une application flexible pétrolier, une largeur L de bande métallique comprise entre 25 mm et environ 150 mm convient et le recouvrement peut être compris entre 35 % et 75%, de préférence supérieur à 40 %, bien que 50% est de préférence le meilleur compromis.
Les résultats principaux des calculs concernent la pose d'une barrière de diffusion comportant plusieurs bandes bi-matériaux (bande métallique revêtue de polymère selon le premier mode de réalisation de l'invention), de largeur 100 mm, posées à plat ou en S sur une gaine de pression en polymère (polyamide, PA) d'épaisseur 5 mm. Les calculs de débit Q sur ces assemblages ont été comparés au débit Q0 dans une gaine de pression en polymère (PA) de même épaisseur totale (et sans barrière de diffusion selon l'invention), soit 7 mm ou 9 mm selon l'épaisseur de barrière considérée. Par exemple, une barrière de diffusion selon l'invention composée de HNBR (caoutchouc acrylonitrile butadiène hydrogéné) et d'inox posée à plat sous forme de 2 couches de 1 mm sur une gaine de pression de 5 mm de PA (polymère) possède un débit 40 fois plus faible que la même épaisseur totale de PA (7 mm dans ce cas).
Plusieurs informations peuvent être déduites des calculs :
- la pose à plat semble plus efficace d'un point de vue barrière que la pose en S, toutes choses égales par ailleurs ; - la pose de 4 bandes de 1 mm semble plus efficace que la pose de 2 bandes de 2 mm, toutes choses égales par ailleurs ;
Les propriétés du matériau remplissant la tortuosité impactent fortement le facteur de réduction du débit. Si on remplace le HNBR (élastomère) par du PA (thermoplastique), le facteur de réduction passe de 22 à 165. Dans les calculs, la perméabilité du PA est 14 fois inférieure à celle du HNBR.
L'ensemble des calculs met en évidence l'importance de la sélection du matériau présent dans la tortuosité. Ce matériau devra avoir la plus faible perméabilité possible tout en étant capable de se déformer élastiquement de manière importante à chaque cycle de fatigue. C'est pourquoi les matériaux seront préférentiellement choisis parmi les élastomères. De plus, un critère de choix du matériau polymère peut être sa compatibilité avec le matériau de la gaine polymère.
En effet, les flexions répétées de la conduite flexible, dans le cas notamment où celle-ci est utilisée en tant que colonne montante (« riser » en anglais) et est de ce fait soumise à de nombreux cycles de flexion, ne peuvent, de préférence, pas générer de déformations notables dans les bandes métalliques. Les déformations devront rester inférieures à 0.2%, de préférence 0.1 %, pour ne pas plastifier le métal et donc réduire fortement sa durée de vie. Dans certains cas, les bandes métalliques peuvent accommoder la flexion de la conduite flexible en « glissant » sans se déformer, ou presque. Les bandes sont alors choisies assez épaisses pour avoir suffisamment de rigidité. Le glissement peut être soit un vrai glissement, mais cela peut générer de l'usure et nécessiter une lubrification, soit être accommodé par une couche intermédiaire souple constituée d'un matériau polymère apte à se cisailler sans générer d'efforts importants dans la bande métallique ou le substrat. Cette fonction est réalisée par le matériau polymère intercalé dans le recouvrement métallique procuré par l'enroulement de la bande métallique.
En outre, il est envisageable qu'une couche élastomère soit intercalée entre la gaine de pression et la bande métallique pour éviter un glissement direct entre les deux éléments. Dans d'autres cas, si la bande métallique est constituée d'un matériau métallique du type superélastique, ce « glissement » est limité voire évité.
La matériau polymère peut préférentiellement également supporter les ouvertures et fermetures entre deux bandes métalliques, ce qui va générer des déformations localisées importantes dans l'élastomère.
Un calcul de mécanique permet de définir les épaisseurs optimales des bandes métalliques et élastomère et le jeu entre deux bandes. Il permettra aussi d'orienter le choix de l'élastomère. L'application visée se situe de préférence aux conduites de transport de l'effluent pétrolier produit (« flowlines » et « risers »). Les chargements à prendre en compte sur la conduite sont :
- Les chargements en fabrication et installation, caractérisés par de fortes courbures, de faibles pressions de contact, température ambiante (-15°C à +50°C), un faible nombre de cycles de flexion (quelques milliers).
- Le chargement en production. Il est limité à de fortes pressions de contact, des températures élevées avec de faibles variations des pressions de contact et de température dans le temps.
Dans le cas de l'application étendue aux « risers », on peut prendre en compte les chargements dynamiques en production spécifiques aux « risers » qui peuvent être faibles courbures, fortes pressions de contact, température, grand nombre de cycles de flexion (quelques millions). Le matériau polymère présent dans la tortuosité peut présenter des caractéristiques précises en termes de :
- Perméabilité ;
- Gonflement sous l'effet de la solubilité des gaz et de l'eau ;
- Propriétés mécaniques (dureté, déformation élastique, fatigue, fluage) ;
- Durabilité en présence des composés chimiques présents dans l'annulaire.
Les méthodes de détermination de ces caractéristiques sont pour l'ensemble assez classiques : tests de perméabilité aux différents gaz et liquides, vieillissements en atmosphères représentatives, essais mécaniques (traction, compression, fluage, fatigue, dureté, ...).
On rappelle que le polymère de la barrière de diffusion peut être un élastomère ou un polymère thermoplastique. Par exemple, la caractérisation de la perméabilité de plusieurs familles d'élastomères montre que les Viton ® (The Chemours Company, USA) et les Butyl font partie des grades les moins perméables, et donc adaptés à la barrière de diffusion selon l'invention. On constate que la perméabilité décroit avec l'augmentation de la dureté. Il y a donc certainement un compromis à trouver entre perméabilité (la plus faible possible) et propriétés mécaniques (souplesse suffisante en cisaillement, résistance en fatigue). Le prix de ces matériaux peut être aussi un facteur de choix. On peut citer entre autres : HNBR 80 ou 90 Shore, AFLAS 80 Shore ® (Seal and design, USA), VITON 75 ou 80 Shore ® (The Chemours Company, USA), HYPALON 60 Shore ® (DuPont, USA), BUTYL 60 Shore, COFLON XD ® (TECHNIP, France). En outre, le matériau polymère de la barrière de diffusion peut être choisi parmi les grades suivants : NBR (copolymères butadiène-acrylonitrile), CR (Polychloroprène, Néoprène), EPDM (éthylène-propylène-diène monomère), CO (Polychlorométhyloxyrane), TFE (tétrafluoroéthylène), PU (Polyuréthane), Silicone, PE (polyéthylène), PA (polyamide), PVDF (Polyfluorure de vinylidène).
Conformément à un premier exemple de réalisation de l'invention, le matériau polymère utilisé pour réaliser la barrière de diffusion d'une conduite flexible montante (« riser ») typiquement soumise à des contraintes statiques et dynamiques peut être choisi parmi les élastomères, en raison de leurs bonnes propriétés mécaniques pour le cisaillement.
Conformément à une deuxième mise en œuvre de l'invention, le matériau polymère utilisé réaliser la barrière de diffusion d'une conduite flexible s'étendant sur le fond marin (« flowline ») typiquement soumise à des contraintes statiques peut être choisi parmi les polyamides, qui sont plus rigides, permettent de limiter le glissement, et sont peu onéreux. La spécification du feuillard métallique (bande métallique de la barrière de diffusion) peut prendre en compte la corrosivité du milieu annulaire, et l'utilisation d'un acier inoxydable peut ne pas être suffisante. La résistance à la corrosion de nombreux matériaux métalliques (aciers inoxydables et alliages de Nickel / de Titane / d'Aluminium, ...) est étudiée et la détermination du meilleur grade d'acier à utiliser en fonction des conditions de fonctionnement peut être choisie parmi les aciers Inox, les aciers au carbone, Duplex, Super- Duplex, Monel, Inconel ® (Spécial Metals Corporation, USA), Hastelloy, ou équivalent. De manière avantageuse, la bande métallique peut être réalisée en aciers au carbone basses caractéristiques présentant une bonne résistance à la corrosion. En effet, la corrosion de ce type d'acier se présente sous la forme d'une corrosion généralisée, généralement plus lente, que la corrosion par piqûres formée dans certains aciers.

Claims

Revendications
1 ) Conduite flexible pour transporter un effluent pétrolier comportant de l'eau et au moins un composé acide parmi le dioxyde de carbone C02 et l'hydrogène sulfuré H2S, ladite conduite comportant au moins un élément métallique de renfort mécanique (3, 5) et une gaine de pression (2), ledit élément métallique (3, 5) étant disposé à l'extérieur de ladite gaine de pression (2), une barrière de diffusion (B) étant disposée entre ladite gaine de résistance à la pression (2) et ledit élément métallique de renfort mécanique (3, 5), caractérisée en ce que ladite barrière de diffusion (B) comporte au moins une bande métallique (F) enroulée autour de ladite gaine de résistance à la pression (2) de façon à procurer un recouvrement métallique sur une distance comprise entre 35 et 75% de la largeur de ladite bande métallique (F) et en ce qu'un matériau polymère (P) est intercalé dans ce recouvrement.
2) Conduite selon la revendication 1 , dans laquelle ladite bande métallique (F) est recouverte au moins partiellement par une couche dudit matériau polymère (P) sur au moins une face. 3) Conduite selon la revendication 1 , dans laquelle ladite barrière de diffusion (B) est formée par ladite bande métallique (F) et par une bande dudit matériau polymère (P).
Conduite selon la revendication 3, dans laquelle ladite bande dudit matériau polymère (P) a une largeur sensiblement égale à la largeur de ladite bande métallique (F).
Conduite selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle ladite bande métallique (F) est en acier inox, en acier au carbone, en alliage de Nickel, de Titane, ou d'Aluminium. 6) Conduite selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle ledit matériau polymère (P) de ladite barrière de diffusion (B) est un élastomère ou un polymère thermoplastique choisi parmi les grades suivants : NBR (copolymère butadiène- acrylonitrile), CR (Polychloroprène, Néoprène), EPDM (éthylène-propylène-diène monomère), CO (Polychlorométhyloxyrane), TFE (tétrafluoroéthylène), PU (Polyuréthane), Silicone, PE (polyéthylène), PA (polyamide), PVDF (Polyfluorure de vinylidène). 7) Conduite selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle ladite barrière de diffusion (B) comporte au moins deux couches de bande métallique (F) enroulées à plat, la deuxième couche de bande métallique (F) formant ledit recouvrement.
8) Conduite selon l'une des revendications 1 à 6, dans laquelle ladite barrière de diffusion (B) comporte au moins une couche de bande métallique (F) enroulée en S pour former ledit recouvrement. 9) Conduite selon l'une des revendications 1 à 6, dans laquelle ladite barrière de diffusion (B) comporte au moins une couche de bande métallique (F) enroulée en « double S » pour former ledit recouvrement.
10) Conduite selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle ladite barrière de diffusion (B) a une largeur comprise entre 25 et 150 mm.
1 1 ) Conduite selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle la couche dudit matériau polymère (P) de ladite barrière de diffusion a une épaisseur comprise entre 0,5 mm et 4 mm.
12) Conduite selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle ladite bande métallique (F) de ladite barrière de diffusion (B) a une épaisseur comprise entre 0,2 mm et 2 mm. 13) Conduite selon l'une des revendications, dans laquelle une couche d'élastomère est intercalée entre ladite barrière de diffusion (B) et ledit élément métallique de renfort mécanique (3, 5).
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