WO2018224566A1 - Embout de connexion d'une conduite flexible et procédé de montage associé - Google Patents

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WO2018224566A1
WO2018224566A1 PCT/EP2018/064933 EP2018064933W WO2018224566A1 WO 2018224566 A1 WO2018224566 A1 WO 2018224566A1 EP 2018064933 W EP2018064933 W EP 2018064933W WO 2018224566 A1 WO2018224566 A1 WO 2018224566A1
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WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
epoxy resin
armor
carbon nanotubes
group
layer
Prior art date
Application number
PCT/EP2018/064933
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English (en)
Inventor
Rafael MATTEDI
Fernando Luiz BASTIAN
Original Assignee
Technip France
Universidade Federal Do Rio De Janeiro
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Filing date
Publication date
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Classifications

    • 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
    • F16L33/00—Arrangements for connecting hoses to rigid members; Rigid hose connectors, i.e. single members engaging both hoses
    • F16L33/01—Arrangements for connecting hoses to rigid members; Rigid hose connectors, i.e. single members engaging both hoses adapted for hoses having a multi-layer wall
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08L—COMPOSITIONS OF MACROMOLECULAR COMPOUNDS
    • C08L63/00—Compositions of epoxy resins; Compositions of derivatives of epoxy resins
    • 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
    • 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
    • F16L33/00—Arrangements for connecting hoses to rigid members; Rigid hose connectors, i.e. single members engaging both hoses
    • F16L33/34—Arrangements for connecting hoses to rigid members; Rigid hose connectors, i.e. single members engaging both hoses with bonding obtained by vulcanisation, gluing, melting, or the like

Definitions

  • the present invention relates to a connecting end of a flexible fluid transport pipe, the flexible pipe comprising at least one tubular sheath and at least one layer of tensile tack disposed externally with respect to the tubular sheath, the layer of armor comprising a plurality of threadlike armor elements, the tip comprising:
  • the pipe is in particular an unbonded flexible pipe for carrying hydrocarbons across an expanse of water, such as an ocean, a sea, a lake or a river, or water injection for well stimulation.
  • Such a flexible pipe is for example made according to the normative documents API 17J (Specification for Unbounded Flexible Pipe) and API RP 17B (Recommended Practice for Flexible Pipe) established by the American Petroleum Institute.
  • the pipe is generally formed of a set of concentric and superimposed layers. It is considered as "unbound" in the sense of the present invention since at least one of the layers of the pipe is able to move longitudinally relative to the adjacent layers during bending of the pipe.
  • an unbonded pipe is a pipe devoid of binding materials connecting layers forming the pipe.
  • the conduit is generally disposed across an expanse of water between a bottom assembly for collecting fluid operated in the bottom of the body of water and a floating surface assembly for collecting and delivering fluid.
  • the surface assembly may be a semi-submersible platform, an FPSO or other floating assembly.
  • the flexible pipe has a length greater than 800 m.
  • the ends of the pipe have tips for connection to the bottom assembly and the entire surface.
  • the axial tension has not only a high average value, but also permanent variations as a function of the vertical movements of the surface assembly and the pipe, under the effect of the agitation of the body of water caused by the swell or waves.
  • the axial tension variations can reach several tens of tons and be repeated continuously during the service life of the pipe. In 20 years, the number of cycles can reach more than 20 million.
  • WO 2014/173874 describes a tip of the aforementioned type.
  • the anchoring of the armor is generally ensured by the friction between the armor son and the epoxy resin cast in the chamber delimited by the vault and the hood.
  • This annular fluid is generally composed of water coming from the condensation of water through the layers of the pipe, of seawater following an accidental flood due to a tear in the outer sheath of the pipe and / or gas from the transported fluid (hydrocarbons, C0 2 and H 2 S in particular) that have diffused through the polymer layers of the pipe.
  • This annular fluid accumulates in the cracks present in the resin.
  • the cracks are particularly localized at the interface of the filling material and the end section of the armor ply. There is therefore more contact between the annular fluid and the armor, which accelerates the degradation of the armor ply.
  • An object of the invention is to obtain a tip of a flexible pipe having improved axial tension recovery and reduced risk of fatigue failure.
  • the invention relates to a tip of the aforementioned type, characterized in that the filling material comprises carbon nanotubes chemically bonded to the epoxy resin.
  • carbon nanotubes "chemically bonded" to the epoxy resin it is meant that the carbon nanotubes comprise at least one group capable of forming a chemical bond with the epoxy resin.
  • group capable of forming a chemical bond means any atom capable of forming a chemical bond or any group carrying such an atom or such a function.
  • the chemical bond is, for example, a covalent, ionic bond or a hydrogen bond.
  • the carbon nanotubes are bonded to the epoxy resin by at least one covalent bond and / or hydrogen.
  • the tip according to the invention may comprise one or more of the following characteristics, taken separately or in any technically possible combination:
  • the carbon nanotubes are bonded to the epoxy resin by covalent bonding, in particular of the ether, ester, amine, amide or carbamate type.
  • the carbon nanotubes are bonded to the epoxy resin by hydrogen bonding, the carbon nanotubes preferably carrying at least one R group chosen from a group -CORi, -OR 2 and -NR 3 R 4 , where
  • Ri is chosen from -OR 5 and NR 6 R 7 , and
  • R 2 , R 3 , R 4, R 5, Re and R 7 are independently selected from H and a hydrocarbon chain comprising from 1 to 4 carbon atoms,
  • R being preferably selected from -COOH, -OH and -NH 2 .
  • the carbon nanotubes are bonded to the epoxy resin by hydrogen bonding and by covalent bonding, the mass concentration of carbon nanotubes in the epoxy resin is between 0.05% and 4%,
  • the carbon nanotubes are chosen from single-wall nanotubes (SWNT), double-sheet nanotubes (DWNT), multi-wall nanotubes (MWNT), or a mixture thereof,
  • the carbon nanotubes have a diameter of between 8 nm and 50 nm and a length of between 1 ⁇ and 50 ⁇ .
  • Their aspect ratio ratio of the length to the diameter, "aspect ratio" in English) is preferably greater than or equal to 100,
  • the filling material comprises at least 50% by weight, in particular at least
  • the filler material comprises a mixture of epoxy resin
  • the filler material comprises an epoxy resin obtained from bisphenol
  • each weave element is formed by a ribbon of composite material comprising a polymeric matrix reinforced with carbon fibers.
  • the filler material may be free of filler other than the carbon nanotubes chemically bonded to the epoxy resin, or it may contain other fillers including mineral fillers, for example quartz or mica.
  • the invention also relates to a flexible fluid transport pipe, comprising:
  • the traction armor layer comprising a plurality of filiform armor elements
  • the invention also relates to a method of mounting a tip of a flexible pipe for fluid transport, comprising the following steps:
  • the traction armor layer comprising a plurality of filamentary armor elements, each armor element comprising an end section , placing an end vault and a cap fixed on the end vault, the end vault and the cap delimiting between them a receiving chamber of the end section,
  • the filler material is an epoxy resin comprising carbon nanotubes chemically bonded to the epoxy resin.
  • the filling material Before being introduced into the receiving chamber, the filling material may be prepared by mixing an epoxy resin and carbon nanotubes bearing at least one group A capable of forming a chemical bond with the epoxy resin.
  • This group A is in particular chosen from a group -X, -COX, -CORi, -OR 2
  • Ri is chosen from -OR 5 and NR 6 R 7 ,
  • R 2 , R 3 , R 4, R 5, Re and R 7 are independently selected from H and a hydrocarbon chain comprising from 1 to 4 carbon atoms,
  • X is a halogen
  • A being preferably selected from -COOH, -OH and -NH 2 .
  • the group A is in particular chosen from the groups R defined above.
  • the group A is chosen so as to obtain the desired bond by reaction between the group A and the functional groups present on the epoxy resin.
  • the epoxy resin is a carrier of hydroxyl functions and ester bonds are desired between the epoxy resin and the carbon nanotubes, A -COX or -COOR 5 is preferably selected.
  • Figure 2 is a simplified schematic view, taken in section along a median axial plane, of the relevant parts of a nozzle of a flexible pipe according to one embodiment of the invention.
  • the terms “outside” and “inside” generally mean radially with respect to an axis AA 'of the pipe, the term “outside” meaning relatively more radially distant from the axis. AA 'and the term “inner” meaning relatively more radially close to the axis AA' of the pipe.
  • forward and “rear” are axially related to an AA 'axis of the line, with the word “before” meaning relatively farther from the middle of the line and closer to one of its extremities, the term “rear” meaning relatively closer to the middle of the pipe and further away from one of its ends.
  • the middle of the pipe is the point of the pipe situated equidistant from the two extremities of the latter.
  • FIG. 10 A flexible pipe 10 according to the invention is partially illustrated by FIG.
  • the flexible pipe 10 comprises a central section 12 illustrated in part in FIG. It comprises, at each of the axial ends of the central section 12, an end tip 14 (not visible in FIG. 1), the relevant parts of which are shown in FIG.
  • the pipe 10 defines a central passage 16 for circulation of a fluid, preferably a petroleum fluid.
  • the central passage 16 extends along an axis A-A 'between the upstream end and the downstream end of the pipe 10. It opens through the endpieces 14.
  • the flexible pipe 10 is intended to be disposed through a body of water (not shown) in a fluid operating installation, in particular hydrocarbons.
  • the body of water is, for example, a sea, a lake or an ocean.
  • the depth of the water extent to the right of the fluid operating installation is for example between 500 m and 3000 m.
  • the fluid operating installation comprises a particularly floating surface assembly and a bottom assembly (not shown) which are generally connected to each other by the flexible pipe 10.
  • the flexible pipe 10 is preferably an "unbonded” pipe (referred to as "unbonded”).
  • At least two adjacent layers of the flexible pipe 10 are free to move longitudinally with respect to each other during bending of the pipe.
  • all the layers of the flexible pipe are free to move relative to each other.
  • the pipe 10 defines a plurality of concentric layers around the axis A-A ', which extend continuously along the central section 12 to the ends 14 at the ends of the pipe.
  • the pipe 10 comprises at least a first tubular sheath 20 based on polymeric material advantageously constituting a pressure sheath.
  • the pipe 10 further comprises at least one layer of tensile armor 24, 25 arranged externally with respect to the first sheath 20.
  • the pipe 10 further comprises an internal carcass 26 disposed inside the pressure sheath 20, a pressure vault 28 interposed between the pressure sheath 20 and the layer or layers of pressure.
  • the pressure sheath 20 is intended to seal the fluid transported in the passage 16. It is formed of a polymer material, for example based on a polyolefin such as polyethylene, based on a polyamide such as PA1 1 or PA12, or based on a fluorinated polymer such as polyvinylidene fluoride (PVDF).
  • a polyolefin such as polyethylene
  • a polyamide such as PA1 1 or PA12
  • PVDF polyvinylidene fluoride
  • the thickness of the pressure sheath 20 is for example between 5 mm and 20 mm.
  • the carcass 26, when present, is formed for example of a profiled metal strip, wound in a spiral.
  • the turns of the strip are advantageously stapled to each other, which makes it possible to take up the radial forces of crushing.
  • the carcass 26 is disposed inside the pressure sheath
  • the flexible pipe 10 is devoid of internal carcass 26, it is then designated by the term "smooth bore".
  • the helical winding of the profiled metal strip forming the carcass 26 is short pitch, that is to say it has a helix angle of absolute value close to 90 °, typically between 75 ° and 90 °.
  • the pressure vault 28 is intended to take up the forces related to the pressure prevailing inside the pressure sheath 20. It is for example formed of a metallic profiled wire surrounded in a helix around the sheath 20 The profiled wire presents generally a complex geometry, in particular Z-shaped, T, U, K, X or I.
  • the pressure vault 28 is helically wound in a short pitch around the pressure sheath 20, that is to say with a helix angle of absolute value close to 90 °, typically between 75 ° and 90 °.
  • the flexible pipe 10 according to the invention comprises at least one layer of armor
  • 24, 25 formed of a helical winding of at least one elongate armor member 29.
  • the flexible pipe 10 comprises a plurality of armor layers 24, 25, in particular an inner armor layer 24, applied to the pressure vault 28 (or to the sheath 20 when the vault 28 is absent) and an outer armor layer 25 around which outer sheath 30 is disposed.
  • the flexible pipe may comprise four layers of armor.
  • Each layer of armor 24, 25 comprises longitudinal armor elements 29 wound with a long pitch around the axis A-A 'of the pipe.
  • wrapped with a long pitch is meant that the absolute value of the helix angle is less than 60 °, and is typically between 25 ° and 55 °.
  • the armor elements 29 of a first layer 24 are generally wound at an opposite angle to the armor elements 29 of a second layer.
  • 29 of the second layer of armor 25 disposed in contact with the first layer of armor 24 is for example equal to - a.
  • the armor elements 29 are for example formed by metal wires, especially steel wires, or by ribbons made of composite material, for example carbon fiber-reinforced tapes.
  • the anchoring of the weave elements 29 formed by ribbons of composite material comprising a polymeric matrix reinforced with carbon fibers within the filler material is generally difficult. It is therefore particularly advantageous to use the filling material 82 according to the invention in this case.
  • thermosetting resin is for example an epoxy resin, a polyimide resin, a polyurethane resin or any other thermosetting material suitable for the present application.
  • thermoplastic resin is, for example, chosen from polyamide, polyolefin and polyester resins. polyetheretherketone, polyetherketoneketone, polyimide, polystyrene, thermoplastic fluoropolymer such as polyvinylidene fluoride, polytetrafluoroethylene or any other thermoplastic suitable for the present application.
  • This ribbon is generally of ultra-dense type.
  • the proportion of carbon fibers, taken in volume relative to the total volume of carbon fibers and of the polymeric matrix constituting the armor element 29, is generally greater than 50%, advantageously greater than or equal to 60% and preferably greater than or equal to 70%.
  • the armor elements 29 each have an end portion 32 inserted into the endpiece 14.
  • the end portion 32 extends to a free end disposed in the endpiece 14. It advantageously has a helical or pseudo-helical trajectory of axis AA 'in the tip 14.
  • the outer sheath 30 is intended to prevent the permeation of fluid from outside the flexible pipe inwardly. It is advantageously made of a polymer material, in particular based on a polyolefin, such as polyethylene, based on a polyamide, such as PA1 1 or PA12, or based on a fluorinated polymer such as polyfluoride. vinylidene (PVDF).
  • a polyolefin such as polyethylene
  • a polyamide such as PA1 1 or PA12
  • PVDF vinylidene
  • the thickness of the outer sheath 30 is for example between 5 mm and 15 mm.
  • the pipe may comprise additional layers (not shown), for example:
  • an anti-wear layer (generally made of polymer) between the metal layers (in particular between the pressure vault 28 and the armor ply 24, or between the two armor plies 24 and 25), which makes it possible to avoid friction of the metal layers between them which can cause their deterioration,
  • each endpiece 14 has an end vault 50 and an outer connecting cover 51 projecting axially rearwards from the roof 50.
  • the cover 51 delimits, with the end vault 50 , a chamber 52 for receiving the free ends 32 of the armor elements 29.
  • the tip 14 further comprises a front assembly 54 sealing around the pressure sheath 20, shown schematically in Figure 2, and a rear assembly (not shown) sealing around the outer sheath 30.
  • the tip 14 advantageously comprises an annular member 80 for holding the armor layers 24, 25 located in the rear zone of the tip.
  • the end vault 50 is intended to connect the pipe 10 to another connection end 14 or to terminal equipment, advantageously via an end flange (not shown).
  • the roof 50 has a central bore intended to receive the end of the first sheath 20 and to allow the flow of the fluid flowing through the central passage 16 towards the outside of the pipe 10.
  • the cover 51 has a tubular peripheral wall 70 extending around the axis A-A '.
  • the peripheral wall 70 has a leading edge (not shown) attached to the end vault 50, radially away from the armor layers 24, 25 and a rear edge (not shown) extending axially rearwardly. beyond the end vault 50.
  • the cover 51 delimits the chamber 52 radially outwardly.
  • a rear face (not visible) of the end vault 50 axially defines the chamber 52 forwards.
  • the volume of the chamber 52 varies according to the size of the tip. For example, for a duct of 6 ", or about 15.2 cm, the volume of the chamber 52 will be about 30L, and for a pipe of 16", about 40.6 cm, the volume of the chamber 52 will be about 60L
  • the front sealing assembly 54 is advantageously located at the front of the nozzle 14, in contact with the arch 50, being axially offset forwardly relative to the annular member 80 for holding, and relative to to the rear sealing assembly.
  • the arch 50 is fixed by conventional fastening means, such as a screw, to the sealing assembly 54.
  • crimping front ring intended to engage the pressure sheath 20.
  • the front assembly 54 furthermore comprises an intermediate ring for stopping the pressure vault 28.
  • the rear sealing assembly is disposed at the rear of the annular retaining member 80. It comprises at least one rear crimping ring crimping the outer sheath 30.
  • the annular holding member 80 is disposed around the armor members 29 of the armor layer 25, at the rear portion of the tip 14.
  • the armor elements 29 of the armor layers 24, 25 are wound helically with the same radius of helix as they have at the central section 12.
  • the zone at the level of which the armor layers 24, 25 deviate helically from the axis AA 'of the pipe to cover the front sealing assembly 54 and the end vault 50 is located between the annular member of holding 80 and the front of the tip 14.
  • the annular retaining member 80 is in the form of a collar, and does not significantly contribute to the recovery of tension forces. Its function is in particular to prevent the disorganization of the armor layers 24, 25 during assembly of the tip 14, as will be explained below.
  • the tip 14 further comprises a solid filler material 82.
  • the filling material 82 is disposed in the chamber 52 around the annular retaining member 80, the vault 50, and the end sections 32 of the armor members 29.
  • the filling material 82 completely fills the chamber
  • the filler material 82 is an epoxy resin comprising carbon nanotubes chemically bonded to the epoxy resin.
  • the resin is of the epoxy type, that is to say a polymer obtained by polymerization of epoxide monomer.
  • An epoxy resin is a thermosetting polymer, which has better heat resistance, mechanical properties, chemical resistance, and armor adhesion compared to thermoplastics.
  • the filler material may comprise a mixture of epoxy resin.
  • the epoxy resin is for example obtained from bisphenol A, bisphenol F or a mixture of bisphenol A and F.
  • the filling material may comprise a mixture of said epoxy resins.
  • the epoxy resin preferably has a Young's modulus of between 2,000 MPa and
  • the carbon nanotubes may be bonded to the epoxy resin by covalent bonding, in particular of the ether, ester, amine, amide or carbamate type.
  • the carbon nanotubes may be bonded to the epoxy resin by hydrogen bonding, the carbon nanotubes preferably carrying at least one functional group R chosen from halogen, -CORi, -OH and -NHR 2 , where R 1 is chosen from -OR 3 , NHR 4 and a halogen, and R 2 , R 3 and R 4 are independently selected from H and a hydrocarbon chain comprising from 1 to 4 carbon atoms, R being preferably selected from -COOH, -OH and -NH 2 .
  • the carbon nanotubes can be bonded to the epoxy resin by hydrogen bonding and covalent bonding.
  • the carbon nanotubes are in particular chosen from single-wall nanotubes (SWNTs), double-sheet nanotubes (DWNTs), multi-wall nanotubes (MWNTs), or a mixture of these.
  • SWNTs and DWNTs generally make it possible to obtain a filling material 82 in which the nanotubes are better dispersed and have improved mechanical properties compared to MWNTs.
  • MWNTs are nonetheless preferred because they are more economical.
  • the carbon nanotubes generally have a diameter of between 8 nm and 50 nm and a length of between 1 ⁇ and 50 ⁇ .
  • Their aspect ratio ratio of the length to the diameter, "aspect ratio" in English
  • the diameter, the length and the aspect ratio can be measured for example by scanning electron microscopy ( SEM).
  • the epoxy resin generally has a mass concentration of carbon nanotubes of between 0.05 and 4%.
  • concentration varies depending on the nature of the nanotubes and depending on the composition of the resin, including hardeners.
  • For a mass concentration of carbon nanotubes greater than 0.05% the axial tension recovery is improved and the fatigue failure is reduced.
  • mass concentration of carbon nanotubes greater than 4% the resin is more fragile and the viscosity of the resin is too high.
  • the higher the concentration of nanotubes the more the price of the tip increases.
  • the material 82 substantially completely fills the chamber 52. It is preferably fluidly injected into the chamber 52 and solidifies therein, by binding the end sections 32 of the armor elements 29 to the vault 50 and / or hood 51.
  • the assembly of the tip 14 according to the invention is carried out as follows.
  • the various layers of the pipe 10 are cut to the right length to reveal, on the roof 28, a free end section 32 of each armor element 29 of the armor layers 24, 25.
  • annular member 80 in an expanded configuration is introduced around the armor layer 25, before being tightened around it.
  • end sections 32 of the armor members 29 are folded rearwardly around the annular retaining member 80.
  • the end vault 50 and the front sealing assembly 54 are then placed in place.
  • each end portion 32 of the inner armor layer 24 is unfolded forward.
  • the end sections 32 are spaced apart by a distance of the order of a few millimeters.
  • the end sections 32 have ends in the form of waves or hooks promoting their anchoring within the filling material.
  • the end portions 32 optionally comprise a coating, for example an epoxy resin, for limiting the wear of the end sections.
  • the end portions 32 comprise spacers rubber or elastomer, for example, which allows in particular to promote the contact surface between the sections and the resin.
  • the cover 51 is then put in place and fixed to the roof 50.
  • the cover 51 is spaced from the end sections 32 by a distance of between 5 mm and 16 mm.
  • the rear sealing assembly is then put in place and is attached to the hood 51.
  • the filling material 82 is then introduced into the chamber 52, advantageously in fluid form.
  • the filling material 82 is injected under pressure into the chamber 52 through orifices placed within the cover 51. There is generally between 4 and 6 orifices with a diameter substantially equal to 14 mm.
  • the material 82 fills the chamber 52 and solidifies between the roof 50 and the cover 51 around the end sections 32 of the armor elements 29.
  • the epoxy resin solidifies at room temperature, corresponding to the temperature inside the the mouthpiece, and atmospheric pressure. When the temperature is below 5 ° C, insulation is wrapped around the tip.
  • the solidification time is of the order of a few hours, more particularly from 3h to 6h.
  • the end sections 32 are then embedded in the filling material 82.
  • the filling material 82 can be prepared by mixing an epoxy resin and carbon nanotubes bearing at least one group A capable of forming a chemical bond with the epoxy resin, preferably a covalent bond and / or a hydrogen bond.
  • This group A is in particular chosen from a group -X, -COX, -CORi, -OR 2
  • Ri is chosen from -OR 5 and NR 6 R 7 , - R 2 , R 3 , R 4 , R 5 , R 6 and R 7 are independently selected from H and a hydrocarbon chain comprising from 1 to 4 carbon atoms, and
  • X is a halogen
  • A being preferably selected from -COOH, -OH and -NH 2 .
  • a halogen is selected from fluorine, bromine, iodine and chlorine.
  • the group A When the group A is likely to form a covalent bond with the epoxy resin, the group A is chosen so as to obtain the desired type of binding by the reaction between the group A and the functional groups present on the epoxy resin.
  • the group A Those skilled in the art are accustomed to selecting the A group and the reaction conditions to achieve the desired covalent bond. For example, he can use Mr. Larock's book “Comprehensive Organic Transformations," A Guide to Functional Group Preparations, edited by Wiley.
  • a representing -COX or -COOR 5 will preferably be chosen.
  • A when the group A is capable of forming a covalent bond, A is chosen from a group -X, -COX, -COOH, -OH and NH 2. Carbon nanotubes carrying such groups are advantageously commercially available. .
  • the group A is preferably selected from the groups R defined above.

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Abstract

L'invention concerne un embout de connexion d'une conduite flexible (10) de transport de fluide. La conduite flexible (10) comprend au moins une gaine tubulaire (20) et au moins une couche (24, 25) d'amures de traction disposée extérieurement par rapport à la gaine tubulaire (20), la couche d'armures (24, 25) comprenant une pluralité d'éléments d'armure (29) filiformes. L'embout comporte au moins un tronçon d'extrémité de chaque élément d'armure, une voûte d'extrémité et un capot fixé sur la voûte d'extrémité, la voûte d'extrémité et le capot délimitant entre eux une chambre de réception de chaque tronçon d'extrémité, la chambre de réception étant remplie d'un matériau de remplissage. Le matériau de remplissage est une résine époxy comprenant des nanotubes de carbone liés chimiquement à la résine époxy. Un tel embout présente une reprise en tension axiale améliorée et un risque de défaillance en fatigue diminué.

Description

Embout de connexion d'une conduite flexible et procédé de montage associé
La présente invention concerne un embout de connexion d'une conduite flexible de transport de fluide, la conduite flexible comprenant au moins une gaine tubulaire et au moins une couche d'amures de traction disposée extérieurement par rapport à la gaine tubulaire, la couche d'armures comprenant une pluralité d'éléments d'armure filiformes, l'embout comportant :
au moins un tronçon d'extrémité de chaque élément d'armure,
une voûte d'extrémité et un capot fixé sur la voûte d'extrémité, la voûte d'extrémité et le capot délimitant entre eux une chambre de réception de chaque tronçon d'extrémité, la chambre de réception étant remplie d'un matériau de remplissage comprenant une résine époxy.
La conduite est en particulier une conduite flexible de type non liée (« unbonded ») destinée au transport d'hydrocarbures à travers une étendue d'eau, tel qu'un océan, une mer, un lac ou une rivière, ou à l'injection d'eau pour la stimulation de puits.
Une telle conduite flexible est par exemple réalisée suivant les documents normatifs API 17J (Spécification for Unbonded Flexible Pipe) et API RP 17B (Recommended Practice for Flexible Pipe) établis par l'American Petroleum Institute.
La conduite est généralement formée d'un ensemble de couches concentriques et superposées. Elle est considérée comme « non liée » au sens de la présente invention dès lors qu'au moins une des couches de la conduite est apte à se déplacer longitudinalement par rapport aux couches adjacentes lors d'une flexion de la conduite. En particulier, une conduite non liée est une conduite dépourvue de matériaux liants raccordant des couches formant la conduite.
La conduite est généralement disposée à travers une étendue d'eau, entre un ensemble de fond, destiné à recueillir le fluide exploité dans le fond de l'étendue d'eau et un ensemble de surface flottant destiné à collecter et à distribuer le fluide. L'ensemble de surface peut être une plateforme semi-submersible, un FPSO ou un autre ensemble flottant.
Dans certains cas, pour l'exploitation de fluides en eaux profondes, la conduite flexible présente une longueur supérieure à 800 m. Les extrémités de la conduite présentent des embouts pour le raccordement à l'ensemble de fond et à l'ensemble de surface.
Ces conduites subissent des efforts très élevés en traction axiale, notamment lorsque l'étendue d'eau dans laquelle est disposée la conduite est très profonde. Dans ce cas, l'embout supérieur reliant la conduite à l'ensemble de surface doit reprendre une tension axiale très importante, qui peut atteindre plusieurs centaines de tonnes. Ces efforts sont transmis à l'embout par l'intermédiaire des couches d'armures de traction s'étendant le long de la conduite.
La tension axiale présente non seulement une valeur moyenne élevée, mais aussi des variations permanentes en fonction des mouvements verticaux de l'ensemble de surface et de la conduite, sous l'effet de l'agitation de l'étendue d'eau provoquée par la houle ou par les vagues.
Les variations de tension axiale peuvent atteindre plusieurs dizaines de tonnes et se répéter continuellement durant la durée de service de la conduite. En 20 ans, le nombre de cycles peut ainsi atteindre plus de 20 millions.
Il est donc nécessaire d'assurer une fixation particulièrement robuste entre les couches d'armures de traction et le corps de l'embout.
WO 2014/173874 décrit un embout du type précité. L'ancrage des armures est assuré généralement par les frottements entre les fils d'armure et la résine époxy coulée dans la chambre délimitée par la voûte et le capot.
Cependant, les contraintes engendrées par les efforts de traction des armures lors de la manipulation de l'installation et de l'exploitation de l'embout entraînent une dégradation de la résine époxy. A terme, des fissures peuvent apparaître et se propager dans la résine, fragilisant l'adhésion entre le matériau de remplissage et les armures, et donc l'ancrage des armures au sein de l'embout.
Ces fissures favorisent également le contact entre le fluide annulaire et les armures. Ce fluide annulaire est généralement composé d'eau provenant de la condensation d'eau à travers les couches de la conduite, d'eau de mer suite à une inondation accidentelle due à une déchirure de la gaine externe de la conduite et/ou de gaz issus du fluide transporté (hydrocarbures, C02 et H2S notamment) qui auraient diffusés à travers les couches polymériques de la conduite. Ce fluide annulaire s'accumule dans les fissures présentes dans la résine. Or, les fissures sont particulièrement localisées à l'interface du matériau de remplissage et du tronçon d'extrémité de la nappe d'armure. Il y a donc plus de contact entre le fluide annulaire et les armures, ce qui accélère la dégradation de la nappe d'armure.
Un but de l'invention est d'obtenir un embout d'une conduite flexible présentant une reprise en tension axiale améliorée et un risque de défaillance en fatigue diminué. A cet effet, l'invention a pour objet un embout du type précité, caractérisé en ce que le matériau de remplissage comprend des nanotubes de carbone liés chimiquement à la résine époxy.
L'utilisation de nanotubes de carbone liés chimiquement à la résine époxy permet avantageusement d'améliorer la résistance à la fracture du matériau de remplissage, et d'améliorer l'adhésion entre le matériau de remplissage et les tronçons d'extrémité de la nappe d'armure, notamment en limitant l'apparition de fissures dans le matériau de remplissage et la propagation de ces fissures. Il est ainsi possible :
- d'exploiter la conduite flexible dans des eaux plus profondes, qui induisent une charge axiale plus élevée sur l'embout auquel la conduite est liée, et/ou
- de limiter les dimensions de l'embout par rapport à un embout dont le matériau de remplissage serait constitué de résine époxy, et par conséquent de limiter les coûts.
En outre, l'utilisation de nanotubes de carbone liés chimiquement à la résine époxy permet généralement d'améliorer le module de Young du matériau de remplissage.
Par nanotubes de carbone « liés chimiquement » à la résine époxy, on entend que les nanotubes de carbone comprennent au moins un groupement susceptible de former une liaison chimique avec la résine époxy. On entend par « groupement susceptible de former une liaison chimique » tout atome, fonction susceptible de former une liaison chimique ou tout groupe porteur d'un tel atome ou d'une telle fonction. La liaison chimique est par exemple une liaison covalente, ionique ou une liaison hydrogène. De préférence, les nanotubes de carbone sont liés à la résine époxy par au moins une liaison covalente et/ou hydrogène.
L'embout selon l'invention peut comprendre l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prise(s) isolément ou suivant toute combinaison techniquement possible :
- les nanotubes de carbone sont liés à la résine époxy par liaison covalente, notamment de type éther, ester, aminé, amide ou carbamate.
les nanotubes de carbone sont liés à la résine époxy par liaison hydrogène, les nanotubes de carbone étant de préférence porteurs d'au moins un groupe R choisi parmi un groupe -CORi , -OR2 et -NR3R4, où
- Ri est choisi parmi -OR5 et NR6R7, et
R2, R3, R4, R5, Re et R7 sont indépendamment choisis parmi H et une chaîne hydrocarbonée comprenant de 1 à 4 atomes de carbone,
R étant de préférence choisi parmi -COOH, -OH et -NH2.
les nanotubes de carbone sont liés à la résine époxy par liaison hydrogène et par liaison covalente, la concentration massique en nanotubes de carbone dans la résine époxy est comprise entre 0,05% et 4%,
les nanotubes de carbone sont choisis parmi les nanotubes monofeuillets (SWNT), des nanotubes doubles feuillets (DWNT), des nanotubes multifeuillets (MWNT), ou un mélange de ceux-ci,
les nanotubes de carbone ont un diamètre compris entre 8 nm et 50 nm et une longueur comprise entre 1 μηι et 50 μηι. Leur rapport de forme (rapport de la longueur sur le diamètre, « aspect ratio » en anglais) est de préférence supérieur ou égal à 100,
le matériau de remplissage comprend au moins 50% en poids, notamment au moins
75% en poids, en particulier au moins 90% en poids de résine époxy,
le matériau de remplissage comprend un mélange de résine époxy,
le matériau de remplissage comprend une résine époxy obtenue à partir de bisphénol
A, de bisphénol F ou d'un mélange de bisphénol A et F, ou un mélange de telles résines époxy, et/ou
chaque élément d'armure est formé par un ruban en matériau composite comprenant une matrice polymérique renforcée par des fibres de carbone.
Le matériau de remplissage peut être exempt de charge autre que les nanotubes de carbone liés chimiquement à la résine époxy, ou bien il peut contenir d'autres charges notamment des charges minérales, par exemple du quartz ou du mica.
L'invention a également pour objet une conduite flexible de transport de fluide, comprenant :
une gaine tubulaire,
au moins une couche d'armures de traction disposée extérieurement par rapport à la gaine tubulaire, la couche d'armures de traction comprenant une pluralité d'éléments d'armure filiformes,
un embout tel que décrit précédemment, monté à l'extrémité de la gaine tubulaire. L'invention a aussi pour objet un procédé de montage d'un embout d'une conduite flexible de transport de fluide, comprenant les étapes suivantes :
fourniture d'une gaine tubulaire,
disposition d'au moins une couche d'armures de traction à l'extérieur de la gaine tubulaire, la couche d'armures de traction comprenant une pluralité d'éléments d'armure filiformes, chaque élément d'armure comprenant un tronçon d'extrémité, mise en place d'une voûte d'extrémité et d'un capot fixé sur la voûte d'extrémité, la voûte d'extrémité et le capot délimitant entre eux une chambre de réception du tronçon d'extrémité,
introduction d'un matériau de remplissage dans la chambre de réception pour noyer le tronçon d'extrémité,
le matériau de remplissage est une résine époxy comprenant des nanotubes de carbone liés chimiquement à la résine époxy.
Avant d'être introduit dans la chambre de réception, le matériau de remplissage peut être préparé par mélange d'une résine époxy et de nanotubes de carbone porteurs d'au moins un groupement A susceptible de former une liaison chimique avec la résine époxy.
Ce groupement A est notamment choisi parmi un groupe -X, -COX, -CORi , -OR2
Figure imgf000007_0001
- Ri est choisi parmi -OR5 et NR6R7,
- R2, R3, R4, R5, Re et R7 sont indépendamment choisis parmi H et une chaîne hydrocarbonée comprenant de 1 à 4 atomes de carbone,
- X est un halogène,
A étant de préférence choisi parmi -COOH, -OH et -NH2.
Lorsque la liaison chimique formée entre la résine époxy et les nanotubes est une liaison hydrogène, le groupe A est notamment choisi parmi les groupes R définis ci- dessus.
Lorsque la liaison chimique formée entre la résine époxy et les nanotubes de carbone est une liaison covalente, le groupe A est choisi de manière à obtenir la liaison souhaitée par réaction entre le groupe A et les groupes fonctionnels présents sur la résine époxy. Par exemple, si la résine époxy est porteuse de fonctions hydroxyle et que des liaisons ester sont désirées entre la résine époxy et les nanotubes de carbone, on choisira de préférence A représentant -COX ou -COOR5.
L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre donnée uniquement à tire d'exemple, et faite en se référant aux dessins annexés, sur lesquels : - la figure 1 est une vue en perspective partiellement écorchée d'un tronçon d'une conduite flexible; et
la figure 2 est une vue schématique simplifiée, prise en coupe suivant un plan axial médian, des parties pertinentes d'un embout d'une conduite flexible selon un mode de réalisation de l'invention. Dans tout ce qui suit, les termes « extérieur » et « intérieur » s'entendent généralement de manière radiale par rapport à un axe A-A' de la conduite, le terme « extérieur » s'entendant comme relativement plus éloigné radialement de l'axe A-A' et le terme « intérieur » s'entendant comme relativement plus proche radialement de l'axe A-A' de la conduite.
Les termes « avant » et « arrière » s'entendent de manière axiale par rapport à un axe A-A' de la conduite, le terme « avant » s'entendant comme relativement plus éloigné du milieu de la conduite et plus proche d'une de ses extrémités, le terme « arrière » s'entendant comme relativement plus proche du milieu de la conduite et plus éloigné d'une de ses extrémités. Le milieu de la conduite est le point de la conduite situé à égale distance des deux extrémités de cette dernière.
Une conduite flexible 10 selon l'invention est illustrée partiellement par la figure 1 .
La conduite flexible 10 comporte un tronçon central 12 illustré en partie sur la figure 1 . Elle comporte, à chacune des extrémités axiales du tronçon central 12, un embout d'extrémité 14 (non visible sur la Figure 1 ) dont les parties pertinentes sont représentées sur la figure 2.
En référence à la figure 1 , la conduite 10 délimite un passage central 16 de circulation d'un fluide, avantageusement d'un fluide pétrolier. Le passage central 16 s'étend suivant un axe A-A', entre l'extrémité amont et l'extrémité aval de la conduite 10. Il débouche à travers les embouts 14.
La conduite flexible 10 est destinée à être disposée à travers une étendue d'eau (non représentée) dans une installation d'exploitation de fluide, notamment d'hydrocarbures.
L'étendue d'eau est par exemple, une mer, un lac ou un océan. La profondeur de l'étendue d'eau au droit de l'installation d'exploitation de fluide est par exemple comprise entre 500 m et 3000 m.
L'installation d'exploitation de fluide comporte un ensemble de surface notamment flottant et un ensemble de fond (non représentés) qui sont généralement raccordés entre eux par la conduite flexible 10.
La conduite flexible 10 est de préférence une conduite « non liée » (désignée par le terme anglais « unbonded »).
Au moins deux couches adjacentes de la conduite flexible 10 sont libres de se déplacer longitudinalement l'une par rapport à l'autre lors d'une flexion de la conduite. Avantageusement, toutes les couches de la conduite flexible sont libres de se déplacer l'une par rapport à l'autre. Une telle conduite est par exemple décrite dans les documents normatifs publiés par l'American Petroleum Institute (API), API 17J, 4ème édition, Mai 2014 et API RP17B, 5ème édition, Mai 2014.
Comme illustré par la figure 1 , la conduite 10 délimite une pluralité de couches concentriques autour de l'axe A-A', qui s'étendent continûment le long du tronçon central 12 jusqu'aux embouts 14 situés aux extrémités de la conduite.
Selon l'invention, la conduite 10 comporte au moins une première gaine tubulaire 20 à base de matériau polymère constituant avantageusement une gaine de pression.
La conduite 10 comporte en outre au moins une couche d'armures de traction 24, 25 disposée extérieurement par rapport à la première gaine 20.
Avantageusement, et selon l'utilisation souhaitée, la conduite 10 comporte en outre une carcasse interne 26 disposée à l'intérieur de la gaine de pression 20, une voûte de pression 28 intercalée entre la gaine de pression 20 et la ou les couches d'armures de traction 24, 25 et une gaine externe 30, destinée à la protection de la conduite 10.
De manière connue, la gaine de pression 20 est destinée à confiner de manière étanche le fluide transporté dans le passage 16. Elle est formée en matériau polymère, par exemple à base d'une polyoléfine tel que du polyéthylène, à base d'un polyamide tel que du PA1 1 ou du PA12, ou à base d'un polymère fluoré tel que du polyfluorure de vinylidène (PVDF).
L'épaisseur de la gaine de pression 20 est par exemple comprise entre 5 mm et 20 mm.
La carcasse 26, lorsqu'elle est présente, est formée par exemple d'un feuillard métallique profilé, enroulé en spirale. Les spires du feuillard sont avantageusement agrafées les unes aux autres, ce qui permet de reprendre les efforts radiaux d'écrasement.
Dans cet exemple, la carcasse 26 est disposée à l'intérieur de la gaine de pression
20. La conduite est alors désignée par le terme anglais « rough bore » en raison de la géométrie de la carcasse 26
En variante (non représentée), la conduite flexible 10 est dépourvue de carcasse interne 26, elle est alors désignée par le terme anglais « smooth bore ».
L'enroulement hélicoïdal du feuillard métallique profilé formant la carcasse 26 est à pas court, c'est-à-dire qu'il présente un angle d'hélice de valeur absolue proche de 90°, typiquement compris entre 75° et 90°.
Dans cet exemple, la voûte de pression 28 est destinée à reprendre les efforts liés à la pression régnant à l'intérieur de la gaine de pression 20. Elle est par exemple formée d'un fil profilé métallique entouré en hélice autour de la gaine 20. Le fil profilé présente généralement une géométrie complexe, notamment en forme de Z, de T, de U, de K, de X ou de I.
La voûte de pression 28 est enroulée en hélice à pas court autour de la gaine de pression 20, c'est-à-dire avec un angle d'hélice de valeur absolue proche de 90°, typiquement compris entre 75° et 90°.
La conduite flexible 10 selon l'invention comprend au moins une couche d'armures
24, 25 formée d'un enroulement hélicoïdal d'au moins un élément d'armure 29 allongé.
Dans l'exemple représenté sur la figure 1 , la conduite flexible 10 comporte une pluralité de couches d'armures 24, 25, notamment une couche d'armures intérieure 24, appliquée sur la voûte de pression 28 (ou sur la gaine 20 lorsque la voûte 28 est absente) et une couche d'armures extérieure 25 autour de laquelle est disposée la gaine extérieure 30. La conduite flexible peut comprendre quatre couches d'armures.
Chaque couche d'armures 24, 25 comporte des éléments d'armure 29 longitudinaux enroulés à pas long autour de l'axe A-A' de la conduite.
Par « enroulé à pas long », on entend que la valeur absolue de l'angle d'hélice est inférieure à 60°, et est typiquement comprise entre 25° et 55°.
Les éléments d'armure 29 d'une première couche 24 sont enroulés généralement suivant un angle opposé par rapport aux éléments d'armure 29 d'une deuxième couche
25. Ainsi, si l'angle d'enroulement des éléments d'armure 29 de la première couche 24 est égal à + a, a étant compris entre 25° et 55°, l'angle d'enroulement des éléments d'armure
29 de la deuxième couche d'armure 25 disposée au contact de la première couche d'armures 24 est par exemple égal à - a.
Les éléments d'armure 29 sont par exemple formés par des fils métalliques, notamment des fils en acier, ou par des rubans en matériau composite, par exemple des rubans renforcés de fibres de carbone.
Dans les embouts usuels, l'ancrage des éléments d'armure 29 formé par des rubans en matériau composite comprenant une matrice polymérique renforcée par des fibres de carbone au sein du matériau de remplissage est généralement difficile. Il est donc particulièrement avantageux d'utiliser le matériau de remplissage 82 selon l'invention dans ce cas.
Cette matrice est par exemple formée d'une résine thermodurcissable ou d'une résine thermoplastique. La résine thermodurcissable est par exemple une résine époxy, une résine de type polyimide, une résine polyuréthane ou tout autre thermodurcissable convenant à la présente application. En variante, la résine thermoplastique est par exemple choisie parmi les résines polyamide, polyoléfine, polyester, polyétheréthercétone, polyéthercétonecétone, polyimide, polystyrène, polymère fluoré thermoplastique tel que le polyfluorure de vinylidène, le polytétrafluoroéthylène ou tout autre thermoplastique convenant à la présente application.
Ce ruban est généralement de type ultra-dense. Le taux de fibres de carbone, pris en volume par rapport au volume total de fibres de carbone et de la matrice polymérique composant l'élément d'armure 29 est généralement supérieur à 50%, avantageusement supérieur ou égal à 60% et de préférence supérieur ou égal à 70%.
Comme on le verra plus bas, les éléments d'armure 29 présentent chacun un tronçon d'extrémité 32 introduit dans l'embout 14. Le tronçon d'extrémité 32 s'étend jusqu'à une extrémité libre disposée dans l'embout 14. Il présente avantageusement une trajectoire hélicoïdale ou pseudo-hélicoïdale d'axe A-A' dans l'embout 14.
La gaine externe 30 est destinée à empêcher la perméation de fluide depuis l'extérieur de la conduite flexible vers l'intérieur. Elle est avantageusement réalisée en matériau polymère, notamment à base d'une polyoléfine, tel que du polyéthylène, à base d'un polyamide, tel que du PA1 1 ou du PA12, ou à base d'un polymère fluoré tel que du polyfluorure de vinylidène (PVDF).
L'épaisseur de la gaine externe 30 est par exemple comprise entre 5 mm et 15 mm.
La conduite peut comprendre des couches supplémentaires (non représentées), par exemple :
- une couche anti-usure (généralement en polymère) entre les couches métalliques (notamment entre la voûte de pression 28 et la nappe d'armure 24, ou entre les deux nappes d'armure 24 et 25), qui permet d'éviter les frictions des couches métalliques entre elles qui peuvent provoquer leur détérioration,
- une couche polymérique intermédiaire, et/ou
- une couche polymérique d'isolation thermique.
Comme illustré par la figure 2, chaque embout 14 comporte une voûte d'extrémité 50 et un capot extérieur de liaison 51 faisant saillie axialement vers l'arrière à partir de la voûte 50. Le capot 51 délimite, avec la voûte d'extrémité 50, une chambre 52 de réception des extrémités libres 32 des éléments d'armure 29.
L'embout 14 comporte en outre un ensemble avant 54 d'étanchéité autour de la gaine de pression 20, représenté schématiquement sur la figure 2, et un ensemble arrière (non représenté) d'étanchéité autour de la gaine extérieure 30.
L'embout 14 comprend avantageusement un organe annulaire 80 de maintien des couches d'armures 24, 25 situé dans la zone arrière de l'embout. Dans cet exemple, la voûte d'extrémité 50 est destinée à raccorder la conduite 10 à un autre embout de connexion 14 ou à des équipements terminaux, avantageusement par l'intermédiaire d'une bride d'extrémité (non représentée).
La voûte 50 présente un alésage central destiné à recevoir l'extrémité de la première gaine 20 et à permettre l'écoulement du fluide circulant à travers le passage central 16 vers l'extérieur de la conduite 10.
Le capot 51 comporte une paroi périphérique 70 tubulaire s'étendant autour de l'axe A-A'. La paroi périphérique 70 présente un bord avant (non représenté) fixé sur la voûte d'extrémité 50, à l'écart radialement des couches d'armures 24, 25 et un bord arrière (non représenté) s'étendant axialement vers l'arrière au-delà de la voûte d'extrémité 50.
Le capot 51 délimite la chambre 52 radialement vers l'extérieur. Une face arrière (non visible) de la voûte d'extrémité 50 délimite axialement la chambre 52 vers l'avant.
Le volume de la chambre 52 varie selon la taille de l'embout. Par exemple, pour une conduite de 6", soit environ 15,2 cm, le volume de la chambre 52 sera environ de 30L, et pour une conduite de 16", soit environ 40,6 cm, le volume de la chambre 52 sera environ de 60L
L'ensemble avant d'étanchéité 54 est avantageusement situé à l'avant de l'embout 14, en contact avec la voûte 50, en étant décalé axialement vers l'avant par rapport à l'organe annulaire 80 de maintien, et par rapport à l'ensemble arrière d'étanchéité.
La voûte 50 est fixée par des moyens de fixation conventionnels, tels qu'une vis, à l'ensemble d'étanchéité 54.
De manière connue, il comporte une bague avant de sertissage, destinée à venir en prise sur la gaine de pression 20.
Dans l'exemple représenté sur la figure 1 , dans lequel la conduite 10 comporte une voûte de pression 28, l'ensemble avant 54 comporte en outre une bague intermédiaire d'arrêt de la voûte de pression 28.
L'ensemble arrière d'étanchéité est disposé à l'arrière de l'organe annulaire de maintien 80. Il comporte au moins une bague arrière de sertissage sertissant la gaine externe 30.
En référence à la figure 2, l'organe annulaire de maintien 80 est disposé autour des éléments d'armure 29 de la couche d'armures 25, au niveau de la partie arrière de l'embout 14. A l'emplacement de l'organe annulaire de maintien 80, les éléments d'armure 29 des couches d'armure 24, 25 sont enroulés hélicoïdalement avec le même rayon d'hélice que celui qu'ils ont au niveau du tronçon central 12. La zone au niveau de laquelle les couches d'armures 24, 25 s'écartent de manière hélicoïdale de l'axe A-A' de la conduite pour venir recouvrir l'ensemble avant d'étanchéité 54 et la voûte d'extrémité 50 est située entre l'organe annulaire de maintien 80 et l'avant de l'embout 14.
L'organe annulaire de maintien 80 se présente sous la forme d'un collier, et ne contribue pas significativement à la reprise des efforts de tension. Sa fonction est notamment d'empêcher la désorganisation des couches d'armure 24, 25 pendant le montage de l'embout 14, comme cela sera exposé plus loin.
L'embout 14 comporte en outre un matériau 82 de remplissage solide. Le matériau de remplissage 82 est disposé dans la chambre 52 autour de l'organe annulaire de maintien 80, de la voûte 50, et des tronçons d'extrémité 32 des éléments d'armure 29.
Avantageusement, le matériau de remplissage 82 remplit totalement la chambre
52.
Selon l'invention, le matériau de remplissage 82 est une résine époxy comprenant des nanotubes de carbone liés chimiquement à la résine époxy.
La résine est de type époxy, c'est-à-dire un polymère obtenu par polymérisation de monomère époxyde. Une résine époxy est un polymère thermodurcissable, qui possède une résistance à la chaleur, des propriétés mécaniques, une résistance chimique et une adhésion des armures meilleures comparées à celles des thermoplastiques. Le matériau de remplissage peut comprendre un mélange de résine époxy.
La résine époxy est par exemple obtenue à partir de bisphénol A, de bisphénol F ou d'un mélange de bisphénol A et F. Le matériau de remplissage peut comprendre un mélange desdites résines époxy.
La résine époxy a de préférence un module de Young compris entre 2 000 MPa et
9 000 MPa et une résistance à la compression compris entre 80 MPa et 130 MPa.
Les nanotubes de carbone peuvent être liés à la résine époxy par liaison covalente, notamment de type éther, ester, aminé, amide ou carbamate.
Les nanotubes de carbone peuvent être liés à la résine époxy par liaison hydrogène, les nanotubes de carbone étant de préférence porteurs d'au moins un groupe fonctionnel R choisi parmi halogène, -CORi , -OH et -NHR2, où Ri est choisi parmi -OR3, NHR4 et un halogène, et R2, R3 et R4 sont indépendamment choisis parmi H et une chaîne hydrocarbonée comprenant de 1 à 4 atomes de carbone, R étant de préférence choisi parmi -COOH, -OH et -NH2.
Les nanotubes de carbone peuvent être liés à la résine époxy par liaison hydrogène et par liaison covalente. Les nanotubes de carbone sont notamment choisis parmi les nanotubes monofeuillets (SWNT), des nanotubes doubles feuillets (DWNT), des nanotubes multifeuillets (MWNT), ou un mélange de ceux-ci. Les SWNT et les DWNT permettent généralement d'obtenir un matériau de remplissage 82 dans lequel les nanotubes sont mieux dispersés et présentant des propriétés mécaniques améliorées par rapport à des MWNT. Les MWNT sont néanmoins privilégiés en ce qu'ils sont plus économiques.
Les nanotubes de carbone ont généralement un diamètre compris entre 8 nm et 50 nm et une longueur comprise entre 1 μηι et 50 μηι. Leur rapport de forme (rapport de la longueur sur le diamètre, « aspect ratio » en anglais) est de préférence supérieur ou égal à 100. Le diamètre, la longueur et le rapport de forme peuvent être mesurés par exemple par microscopie électronique à balayage (MEB).
La résine époxy présente généralement une concentration massique en nanotubes de carbone comprise entre 0,05 et 4%. La concentration varie en fonction de la nature des nanotubes et en fonction de la composition de la résine, notamment des durcisseurs. Pour une concentration massique en nanotubes de carbone supérieure à 0.05%, la reprise en tension axiale est améliorée et la défaillance en fatigue est diminuée. Pour une concentration massique en nanotubes de carbone supérieure à 4%, la résine est plus fragile et la viscosité de la résine est trop élevée. De plus, plus la concentration en nanotubes est élevée, plus le prix de l'embout augmente.
Le matériau 82 remplit sensiblement totalement la chambre 52. Il est de préférence injecté de manière fluide dans la chambre 52 et se solidifie dans celle-ci, en liant les tronçons d'extrémité 32 des éléments d'armure 29 à la voûte 50 et/ou au capot 51 .
L'assemblage de l'embout 14 selon l'invention est réalisé comme suit.
Initialement, les différentes couches de la conduite 10 sont coupées à la bonne longueur pour faire apparaître, sur la voûte 28, un tronçon d'extrémité libre 32 de chaque élément d'armure 29 des couches d'armures 24, 25.
Puis, l'organe annulaire 80 dans une configuration expansée est introduit autour de la couche d'armures 25, avant d'être serré autour de cette dernière.
Ceci étant fait, les tronçons d'extrémité 32 des éléments d'armure 29 sont repliés vers l'arrière autour de l'organe annulaire de maintien 80. La voûte d'extrémité 50 et l'ensemble avant d'étanchéité 54 sont ensuite mis en place.
Puis, chaque tronçon d'extrémité 32 de la couche d'armures intérieure 24 est déplié vers l'avant. Les tronçons d'extrémité 32 sont espacés d'une distance de l'ordre de quelques millimètres.
Avantageusement, et notamment dans le mode de réalisation selon lequel les éléments d'armure 29 sont métalliques, les tronçons d'extrémité 32 possèdent des extrémités en forme de vagues ou de crochets favorisant leur ancrage au sein du matériau de remplissage.
Les tronçons d'extrémité 32 comportent éventuellement un revêtement, par exemple une résine époxy, permettant de limiter l'usure des tronçons d'extrémités.
Avantageusement, les tronçons d'extrémité 32 comportent des organes d'espacement en caoutchouc ou en élastomère, par exemple, ce qui permet notamment de favoriser la surface de contact entre les tronçons et la résine.
Le capot 51 est ensuite mis en place et fixé à la voûte 50.
Le capot 51 est espacé des tronçons d'extrémité 32 d'une distance comprise entre 5 mm et 16 mm.
L'ensemble arrière d'étanchéité est ensuite mis en place et est fixé au capot 51 .
Le matériau de remplissage 82 est alors introduit dans la chambre 52, avantageusement sous forme fluide. Le matériau de remplissage 82 est injecté sous pression au sein de la chambre 52 par des orifices placés au sein du capot 51 . Il y a généralement entre 4 et 6 orifices avec un diamètre sensiblement égal à 14 mm.
Le matériau 82 remplit la chambre 52 et se solidifie entre la voûte 50 et le capot 51 autour des tronçons d'extrémité 32 des éléments d'armures 29. La résine époxy se solidifie à température ambiante, correspondant à la température à l'intérieur de l'embout, et pression atmosphérique. Lorsque la température est inférieure à 5°C, un isolant est enroulé autour de l'embout.
Le temps de solidification est de l'ordre de quelques heures, plus particulièrement de 3h à 6h.
Les tronçons d'extrémité 32 sont alors noyés dans le matériau de remplissage 82. Avant l'étape d'introduction du matériau de remplissage 82 dans la chambre de réception 52, le matériau de remplissage 82 peut être préparé par mélange d'une résine époxy et de nanotubes de carbone porteurs d'au moins un groupement A susceptible de former une liaison chimique avec la résine époxy, de préférence une liaison covalente et/ou une liaison hydrogène.
Ce groupement A est notamment choisi parmi un groupe -X, -COX, -CORi , -OR2
Figure imgf000015_0001
- Ri est choisi parmi -OR5 et NR6R7, - R2, R3, R4, R5, R6 et R7 sont indépendamment choisis parmi H et une chaîne hydrocarbonée comprenant de 1 à 4 atomes de carbone, et
- X est un halogène,
A étant de préférence choisi parmi -COOH, -OH et -NH2.
Au sens de la demande, un halogène est choisi parmi un fluor, un brome, un iode et un chlore.
Lorsque le groupement A est susceptible de former une liaison covalente avec la résine époxy, le groupe A est choisi de manière à obtenir le type de liaison souhaité par la réaction entre le groupe A et les groupes fonctionnels présents sur la résine époxy. L'homme du métier est habitué à choisir le groupement A et les conditions réactionnelles pour obtenir la liaison covalente souhaitée. Il peut par exemple s'appuyer sur l'ouvrage de M. Larock « Comprehensive Organic Transformations, A Guide to Functional Group Préparations » édité par Wiley. A titre illustratif, si la résine époxy est porteuse de fonctions hydroxyle et que des liaisons ester sont désirées entre la résine époxy et les nanotubes, on choisira de préférence A représentant -COX ou -COOR5. De préférence, lorsque le groupement A est susceptible de former une liaison covalente, A est choisi parmi un groupe -X, -COX, -COOH, -OH et NH2. Des nanotubes de carbone porteurs de tels groupements sont avantageusement disponibles dans le commerce.
Lorsque la liaison chimique formée entre la résine époxy et les nanotubes de carbone est une liaison covalente, le groupe A est de préférence choisi parmi les groupes R définis ci-dessus.
En fonctionnement, lorsque l'embout 14 est raccordé à un autre embout ou à un ensemble de surface, la tension axiale transmise par les couches d'armures 24, 25 résultant du poids de la conduite 10 est reprise par les tronçons 32 noyés dans le matériau de remplissage 82.

Claims

REVENDICATIONS
1 . - Embout (14) de connexion d'une conduite flexible (10) de transport de fluide, la conduite flexible (10) comprenant au moins une gaine tubulaire (20) et au moins une couche (24, 25) d'amures de traction disposée extérieurement par rapport à la gaine tubulaire (20), la couche d'armures (24, 25) comprenant une pluralité d'éléments d'armure (29) filiformes, l'embout comportant :
au moins un tronçon d'extrémité (32) de chaque élément d'armure,
une voûte d'extrémité (50) et un capot (51 ) fixé sur la voûte d'extrémité, la voûte d'extrémité (50) et le capot (51 ) délimitant entre eux une chambre de réception (52) de chaque tronçon d'extrémité, la chambre de réception étant remplie d'un matériau de remplissage (82) comprenant une résine époxy,
caractérisé en ce que le matériau de remplissage (82) comprend des nanotubes de carbone liés chimiquement à la résine époxy.
2. - Embout de connexion selon la revendication 1 , dans lequel les nanotubes de carbone sont liés à la résine époxy par liaison covalente.
3. - Embout de connexion selon la revendication 2, dans lequel les nanotubes de carbone sont liés à la résine époxy par une liaison éther, ester, aminé, amide ou carbamate.
4. - Embout de connexion selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel les nanotubes de carbone sont liés à la résine époxy par liaison hydrogène.
5. - Embout de connexion selon la revendication 4, dans lequel les nanotubes de carbone sont porteurs d'au moins un groupe R choisi parmi un groupe -CORi , -OR2 et
Figure imgf000017_0001
Ri est choisi parmi -OR5 et NR6R7, et
- R2, R3, R4, R5, Re et R7 sont indépendamment choisis parmi H et une chaîne hydrocarbonée comprenant de 1 à 4 atomes de carbone,
le groupe R étant de préférence choisi parmi -COOH, -OH et -NH2.
6.- Embout de connexion selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel la concentration massique en nanotubes de carbone dans la résine époxy est comprise entre 0,05% et 4%.
7.- Embout de connexion selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel les nanotubes de carbone sont des nanotubes monofeuillets (SWNT), des nanotubes doubles feuillets (DWNT), des nanotubes multifeuillets (MWNT) ou un mélange de ceux-ci.
8.- Embout de connexion selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel les nanotubes de carbone ont un diamètre compris entre 8 nm et 50 nm et une longueur comprise entre 1 μηι et 50 μηι.
9. - Embout de connexion selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, dans lequel les nanotubes de carbone ont un rapport de forme supérieur ou égal à 100.
10. - Embout de connexion selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, dans lequel chaque élément d'armure (29) est formé par un ruban en matériau composite comprenant une matrice polymérique renforcée par des fibres de carbone.
1 1 . - Conduite (10) flexible de transport de fluide, comprenant :
une gaine tubulaire (20),
au moins une couche d'armures (24, 25) de traction disposée extérieurement par rapport à la gaine tubulaire (20), la couche d'armures (24, 25) de traction comprenant une pluralité d'éléments d'armure filiformes (29),
un embout (14) selon l'une quelconque des revendications précédentes, monté à l'extrémité de la gaine tubulaire (20).
12. - Procédé de montage d'un embout (14) d'une conduite (10) flexible de transport de fluide, comprenant les étapes suivantes :
fourniture d'une gaine tubulaire (20),
disposition d'au moins une couche d'armures (24, 25) de traction à l'extérieur de la gaine tubulaire (20), la couche d'armures de traction (24, 25) comprenant une pluralité d'éléments d'armure filiformes (29), chaque élément d'armure (29) comprenant un tronçon d'extrémité (32), mise en place d'une voûte d'extrémité (50) et d'un capot (51 ) fixé sur la voûte d'extrémité (50), la voûte d'extrémité (50) et le capot (51 ) délimitant entre eux une chambre de réception (52) du tronçon d'extrémité (32),
introduction d'un matériau de remplissage (82) comprenant une résine époxy dans la chambre de réception (52) pour noyer le tronçon d'extrémité (32),
caractérisé en ce que le matériau de remplissage (82) comprend des nanotubes de carbone liés chimiquement à la résine époxy.
13.- Procédé selon la revendication 12, qui comprend, avant l'étape d'introduction du matériau de remplissage (82) dans la chambre de réception (52), une étape de préparation du matériau de remplissage (82) par mélange d'une résine époxy et de nanotubes de carbone porteurs d'au moins un groupement A susceptible de former une liaison chimique avec la résine époxy.
14.- Procédé selon la revendication 13, dans lequel le groupement A est choisi parmi un groupe -X, -COX, -CORi , -OR2 et -NR3R4, où :
- Ri est choisi parmi -OR5 et NR6R7,
- R2, R3, R4, R5, R6 et R7 sont indépendamment choisis parmi H et une chaîne hydrocarbonée comprenant de 1 à 4 atomes de carbone, et
- X est un halogène,
le groupement A étant de préférence choisi parmi -COOH, -OH et -NH2.
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