FABRICATION DE LA CONDUITE

RIGIDE-DÉROULÉE La présente invention concerne le domaine des conduites rigides- déroulées.

Dans le domaine de l'exploitation pétrolière, les conduites rigides sont mises en œuvre pour transporter un effluent pétrolier en mer. De telles conduites peuvent être assemblées en mer, sur des navires de pose en soudant bout à bout des sections courtes (12 m ou 24 m) de conduites rigides formant une conduite rigide de grande longueur qui est déployée en mer au fur et à mesure de son assemblage. Parce que les soudures sont faites à bord du navire de pose, la vitesse de pose est lente comparée à celle d'une méthode où la conduite rigide est déployée en grande longueur sans recourir à des soudures sur le bateau de pose. Selon cette autre méthode, dite de pose en déroulé ou « reeled lay method » en langue anglaise, la conduite rigide est assemblée à terre par soudage de petites sections de conduites rigides, puis stockée sur la roue verticale ou bobine d'un bateau de pose. En mer, la conduite rigide est déroulée de sa bobine de stockage, redressée et déployée en mer. Une conduite rigide, déployée selon la méthode dite de pose en déroulé est couramment nommée « conduite rigide-déroulée ». Une conduite rigide-déroulée notamment décrite dans la norme API17A est composée d'un tube métallique long, continu et rigide.

En référence à la figure 1 , après fabrication, la conduite rigide est enroulée sur une roue 2, également nommée tambour ou bobine, de stockage. La conduite enroulée est acheminée sur le lieu d'utilisation par navire 3. Lors de la pose, la conduite est déroulée, inclinée par le coude 4 sur la rampe de pose, puis redressée par les moyens de redressement 5. Lors de ces opérations, la conduite rigide est mise sous tension qui est appliquée par les moyens de mise en tension 6.

Lors des opérations d'enroulement de la conduite sur une bobine et de redressement, la conduite subit des déformations dans le domaine plastique de l'acier. Une légère variation des contraintes appliquées au tube ou une légère variation de la raideur locale du tube peut entraîner des déformations géométriques importantes, voire le flambage du tube. Une façon habituelle de prévenir ces risques est d'appliquer une tension suffisante par les moyens 6 sur la conduite lors des opérations d'enroulement et de déroulement, et lors du redressement afin de garder le tube plaqué sur la forme de cintrage. Cependant, la mise sous tension de la conduite rigide présente des désavantages: augmentation de l'ovalisation, allongement plastique du tube, efforts sur les outils. La présente invention propose de renforcer le tube acier par un tube en matériau polymère afin d'augmenter notablement la raideur en flexion de la conduite rigide lorsqu'elle subit des déformations dans le domaine plastique du tube acier. De manière générale, la présente invention décrit une conduite rigide- déroulée, comportant un tube métallique composé d'au moins deux tronçons de tube assemblés bout à bout par une soudure. Une couche de matériau isolant recouvre les tronçons de tube en laissant les extrémités des tronçons libres. Un manchon annulaire en matériau de remplissage recouvrant le tube métallique dépourvu de couche de matériau isolant. La conduite est caractérisée en ce qu'une gaine en matériau polymère recouvre au moins une portion dudit manchon annulaire en matériau de remplissage, la gaine en matériau polymère ayant une raideur en flexion à 2% de déformation en flexion, ladite raideur étant au moins deux fois supérieure à la raideur en flexion des tronçon de tube métallique à 2% de déformation plastique en flexion.

Selon l'invention, la gaine en matériau polymère peut former un tube, l'épaisseur de la gaine étant au moins deux fois supérieure à l'épaisseur du tube métallique, le matériau polymère ayant un module d'Young au moins supérieur à 500 MPa et le matériau polymère ayant une déformation à la rupture au moins supérieure à 5%. La somme de l'épaisseur du manchon annulaire en matériau de remplissage et de l'épaisseur de la gaine polymère peut être inférieure à l'épaisseur de la couche de matériau isolant.

Alternativement, la gaine polymère peut recouvrir une portion de la couche en matériau isolant de part et d'autre de la soudure.

Le matériau polymère peut être choisi parmi un polypropylène, un polyamide et un polyéthylène.

Le tube métallique peut être composé en acier.

Le matériau isolant peut être choisi parmi les mousses polymères, syntactiques et non syntactiques.

Le matériau de remplissage peut être choisi parmi les polymères pleins ou sous forme de mousse.

la conduite peut être enroulée sur un tambour, le tube métallique subissant une déformation plastique en flexion supérieure à 1%.

La présente invention concerne également un procédé de fabrication d'une conduite selon l'invention, dans lequel on effectue les étapes suivantes :

- on fournit les au moins deux tronçons de tube,

- on dépose la couche de matériau isolant sur une partie de la surface extérieure de chaque tronçon de tube, les extrémités des tronçons restant dénudées,

- on raboute les deux tronçons de tube par une soudure pour former le tube métallique,

- on dispose le manchon annulaire en matériau de remplissage sur la partie du tube métallique dépourvue de la couche de matériau d'isolation,

- on dispose la gaine en matériau polymère autour du matériau de remplissage et au moins sur une partie de la couche en matériau isolant.

Selon l'invention, on peut déposer la gaine en matériau polymère en effectuant l'une des étapes suivantes : - on injecte le matériau polymère dans un moule formant un espace annulaire autour de la conduite,

- on assemble deux demi-coquilles en matériau polymère autour de la conduite rigide-déroulée,

- on enroule hélicoïdalement une bande en matériau polymère autour de la conduite,

- on extrude la gaine en matériau polymère autour de la conduite. On peut enrouler la conduite sur un tambour.

D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront mieux compris et apparaîtront clairement à la lecture de la description faite ci-après en se référant aux dessins parmi lesquels :

- la figure 1 schématise un dispositif de pose d'une conduite rigide- déroulée,

- la figure 2 représente un premier mode de réalisation d'une conduite rigide-déroulée selon l'invention,

- la figure 3 représente un deuxième mode de réalisation d'une conduite rigide-déroulée selon l'invention,

- la figure 4 représente la déformation plastique cumulée à la fin de l'opération d'enroulement d'une conduite rigide-déroulée avec et sans gaine polymère,

- la figure 5 représente une comparaison des moments en flexion d'un tube métallique et d'une gaine polymère en fonction de la déformation en flexion,

- la figure 6 présente une comparaison de la raideur tangente en flexion d'un tube métallique et d'une gaine polymère en fonction de la déformation en flexion. Les conduites rigides-déroulées présentées par les figures 2 et 3 sont constituées d'un tube métallique 10 rigide de grande longueur. Elles peuvent être mises en oeuvre pour transporter un effluent pétrolier. Le tube métallique a typiquement un diamètre de 6 à 18 pouces et une épaisseur e1 de 0,3 à 1 ,8 pouces. Il est le plus souvent réalisé en acier faiblement allié X40 à X80, en acier inoxydable ou en acier de type duplex. Le tube 10 est composé de plusieurs tronçons assemblés par soudure. La soudure 13 permet d'assembler deux tronçons du tube 10. Le tube 10 est entouré d'une isolation thermique 11 en forme de tube d'épaisseur e2. Le matériau isolant présente un coefficient de conductivité thermique inférieur à 0,3 W/(m.K). Le matériau isolant présente de préférence un module d'Young supérieur à 1000 MPa. Par exemple, le matériau isolant peut être une mousse polymère, par exemple un polypropylène, un polyuréthane, une mousse syntactique polymère telle qu'un polypropylène, un polyuréthane ou une époxyde, comportant des billes de verre, un élastomère tel que le caoutchouc, ou un gel constitué d'un mélange de Kraton et d'iso-paraffine, de Kérosène et d'iso- polyuréthane, ou un élastomère silicone avec une huile silicone. Les extrémités des tronçons constituant le tube 10 sont dépourvues de la couche d'isolation thermique 11 pour permettre l'opération de soudage.

En référence à la figure 2, un matériau de remplissage 14 est disposé autour du tube 10 au niveau de la soudure 3 afin d'obtenir une continuité de l'isolation sur la longueur du tube 10 après l'opération de soudure. Le matériau de remplissage 14 forme un manchon en forme de tube dont l'épaisseur e4 est inférieure à l'épaisseur e2 de la couche d'isolation thermique 11. En d'autres termes, le matériau de remplissage 14 remplit une partie ou la totalité de l'espace annulaire dépourvue de la couche d'isolation 11. En référence à la figure 2, l'épaisseur e4 du tube en matériau 14 est sensiblement égale à l'épaisseur e2 de la couche de matériau d'isolation 11. En référence à la figure 3 l'épaisseur e4 du tube en matériau 14 est inférieure à l'épaisseur e2 de la couche de matériau d'isolation 11. On choisit souvent un matériau de remplissage 14 qui est plus mou que le matériau d'isolation 11 pour garantir une bonne étanchéité au niveau de la soudure 13 et pour une plus grande facilité de mise en œuvre. Autrement dit, le matériau de remplissage peut présenter un module d'Young inférieure, voire de préférence deux fois inférieure au module d'Young du matériau isolant. Le module d'Young du matériau isolant peut être inférieur à 500 MPa, de préférence inférieur à 250 MPa. Par exemple, le matériau de remplissage 14 est en polyuréthane. La couche d'isolation présente alors une variation importante de rigidité au niveau de la soudure 13, ce qui conduit, dans le domaine de plasticité de l'acier, à une variation importante de la rigidité de la conduite. Cela a pour conséquence, une concentration des contraintes et des déformations plastiques dans l'acier, au niveau de la soudure 13, lors du bobinage et du redressement.

Pour augmenter la résistance de la conduite rigide-déroulée, la présente invention propose de renforcer le tube métallique 10 par une gaine en matériau polymère.

Le tube 10 isolé thermiquement par les couches 11 et 14 de la figure 2 est renforcé en déposant une gaine polymère 12 autour du tube 10 au niveau de la soudure 13. La gaine polymère 12 est déposée sur la surface extérieure de la couche d'isolation thermique 11 et du matériau de remplissage 14. Sur la figure 2, la gaine 12 recouvre le matériau de remplissage et une partie de la couche d'isolation 11 en formant un tube d'épaisseur e3 sur une longueur axiale L1. La longueur axiale L1 peut être comprise entre deux fois L2 et dix fois L2, L2 étant la longueur axiale sur laquelle s'étend le matériau de remplissage 14 sur le tube 10. Alternativement, la gaine polymère 12 peut être posée sur toute la longueur du tube métallique 10.

Le tube 10 isolé thermiquement par les couches 11 et 14 de la figure 3 est renforcé en déposant une gaine polymère 22 autour du tube 10 au niveau de la soudure 13. La gaine polymère 22 est déposée sur la surface extérieure de la couche de matériau de remplissage 14 pour combler l'espace annulaire dépourvu de matériau d'isolation, sans excéder le diamètre extérieur du tube isolant 11. En d'autres termes, l'épaisseur e2 de la couche d'isolation 11 est supérieure ou égal à la somme de l'épaisseur e4 du tube en matériau 14 et de l'épaisseur e5 de la gaine polymère 22. Dans le cas où la somme e2 = e4 + e5, la surface extérieure de la conduite rigide déroulée forme un cylindre de diamètre sensiblement constant entre la couche 11 et la superposition des couches 14 et 22. La gaine 22 s'étend environ sur la longueur L3 séparant les deux couches de matériau isolant 11. Le polymère et les dimensions du tube polymère 12 et 22 sont choisis de façon à augmenter notablement la raideur en flexion de l'ensemble de la conduite rigide-déroulée lorsque le tube acier est soumis à une déformation plastique notable. Selon l'invention, on choisit une gaine polymère 12 ou 22 de manière à ce que, de par le choix du polymère et des dimensions du tube, la gaine en matériau polymère présente une raideur en flexion à 2% de déformation en flexion au moins deux fois, de préférence au moins trois fois, voire au moins quatre fois, supérieure à la raideur en flexion du tube métallique à 2% de déformation plastique en flexion. En d'autres termes, lorsque la conduite selon l'invention subit une déformation qui correspond à 2% de déformation plastique en flexion du tube métallique, la gaine polymère est plus raide, 2 fois, de préférence 3 fois voire 4 fois, plus raide que le tube métallique plastiquement déformé (la comparaison s'effectue par rapport à une portion du tube métallique qui ne comporte pas de soudure). Selon l'invention, on peut choisir un polymère qui est raide, par exemple un polymère dont le module d'Young est supérieur à 500 MPa, de préférence supérieur à 700 MPa. Une excellente valeur du module d'Young du polymère étant supérieure à 1000 MPa. De préférence la raideur de la gaine 12 ou 22 est supérieure à la raideur du matériau isolant, c'est-à-dire que le module d'Young du matériau polymère de la gaine est supérieur au module d'Young du matériau isolant. Selon l'invention, on peut choisir un polymère qui est ductile, par exemple un polymère qui présente une déformation à la rupture supérieure à 5%, de préférence supérieure à 8%, à 20°C à une vitesse de déformation de 2.10 ^"4 s ^"1 . Une excellente valeur de la déformation à la rupture du matériau polymère étant supérieure à 10% dans les mêmes conditions mentionnées ci-avant. Par exemple, on utilise un polymère de la famille des polypropylènes, des polyéthylènes ou des polyamides pour réaliser la gaine polymère 12 ou 22. De préférence, l'épaisseur de la gaine polymère 12 ou 22 est supérieure à l'épaisseur du tube acier 21 ou 10. De préférence, dans le mode de réalisation des figures 2 et 3, l'épaisseur e3 de la gaine polymère 12, respectivement l'épaisseur e5 de la gaine 22, est supérieure à deux fois l'épaisseur e1 du tube métallique 1. La gaine polymère 12 ou 22 permet d'augmenter significativement la raideur de la conduite rigide-déroulée lorsque le tube métallique de la conduite est déformé dans le domaine plastique. Comme montré dans les exemples présentés ci-après, certains polymères ont un domaine élastique nettement plus étendu que les aciers, et leur raideur résiduelle chute beaucoup moins brutalement au moment de la plastification de l'acier. En conséquence, la gaine polymère bien choisie selon l'invention, présente une raideur initiale en flexion négligeable par rapport à la raideur en flexion du tube métallique lorsque la conduite rigide- déroulée n'est pas déformée. Par contre, lorsque la déformation de la conduite rigide-déroulée entraîne la déformation du tube métallique dans le domaine plastique, la raideur en flexion du tube métallique baisse. Les inventeurs ont constaté que la raideur en flexion du tube métallique plastifié est alors très faible et que la raideur en flexion du tube métallique chute dramatiquement bien en- dessous de la raideur en flexion de la gaine polymère. La gaine polymère mise en œuvre selon l'invention permet d'augmenter notablement la raideur en flexion de la conduite rigide-déroulée lorsqu'elle est soumise à des déformations en flexion dans le domaine plastique du tube métallique qui la compose. Le comportement en flexion de la conduite rigide-déroulée revêtue de la gaine polymère est alors beaucoup plus stable qu'un tube métallique seul.

La conduite rigide-déroulée selon l'invention permet de réduire les variations géométriques (ovalisation, courbures résiduelles, zones de plastification importante) du tube métallique lors des opérations de bobinages et de redressement et, donc, d'augmenter ses charges limites (notamment la résistance à la pression externe du fait d'une ovalisation plus faible) et son comportement en fatigue. A tolérance géométrique égale, la présente invention permet de réduire la tension appliquée lors des opérations de bobinage et de redressement, et donc de réduire les efforts sur les outils. L'épaisseur du tube métallique est souvent dimensionnée par la résistance au flambage lors de l'enroulement, la présente invention permet alors de réduire cette épaisseur.

La conduite rigide-déroulée des figures 2 ou 3 peut être fabriquée selon le procédé décrit ci-après. On fabrique au moins deux tronçons de tube en métal.

On dépose la couche de matériau isolant 1 sur la surface extérieure des tronçons de tube métallique. Par exemple, la couche 11 est constituée d'une bande enroulée hélicoïdalement autour du tronçon du tube métallique. Alternativement, la couche 11 est extrudée sur la paroi extérieure du tronçon du tube métallique. La couche 11 recouvre toute la longueur des tubes, excepté les extrémités des tronçons qui restent dénudées afin de pouvoir effectuer des soudures.

On raboute les deux tronçons recouverts de l'isolation 1 par une soudure 13 pour former le tube métallique 10 thermiquement isolé.

On dispose un matériau de remplissage 14 sur la partie du tube 10 dépourvue de l'isolation 11 au niveau de la soudure 13. Par exemple, on forme un moule en disposant un manchon tubulaire au dessus de la soudure 13 ce qui permet de fermer l'espace annulaire situé entre le tube 10 et les deux couches d'isolant 11. Le manchon tubulaire présente une surface interne cylindrique dont le diamètre interne est environ égal au diamètre de la surface extérieure de l'isolation 11. Puis, on injecte le matériau 14 dans l'espace annulaire fermé délimité par le tube 10, les extrémités des deux couches d'isolant 11 et la surface intérieure dudit manchon.

On dispose la gaine polymère 12 ou 22 sur le matériau de remplissage 14 et éventuellement sur au moins sur une partie de la couche d'isolation 11. Eventuellement, la gaine polymère 12 est disposée sur toute la longueur du tube métallique 10 afin de former la conduite rigide-déroulée selon l'invention.

On enroule la conduite rigide-déroulée sur une bobine ou une roue.

La gaine polymère 12 de la figure 2 ou la gaine polymère 22 de la figure 3 peut être disposée autour de la conduite rigide déroulée selon les techniques suivantes.

Le matériau polymère est injecté dans un moule formant un espace annulaire autour de la conduite rigide déroulée au niveau de la soudure 13. La gaine polymère est formée de deux demi-coquilles en matériau polymère qui sont assemblées autour de la conduite rigide-déroulée, par exemple par soudure des deux demi-coquilles l'une avec l'autre.

La gaine polymère est constituée par une bande en matériau polymère enroulée hélicoïdalement autour de la conduite rigide-déroulée. La bande peut être enroulée à chaud. Une ou plusieurs épaisseurs de bande enroulée peuvent être nécessaires pour former la gaine polymère.

La gaine polymère est extrudée autour de la conduite rigide-déroulée. Les exemples numériques présentés ci-après permettent d'illustrer les avantages et l'efficacité de la gaine polymère pour améliorer la raideur d'une conduite rigide-déroulée soumise à des déformations en flexion.

Le comportement d'une conduite rigide-déroulée selon le mode de réalisation décrit en référence à la figure 2, a été simulé par calcul numérique. Les simulations ont été effectuées pour une conduite rigide déroulée munie de la gaine polymère 12 et pour la même conduite dépourvue de la gaine polymère 12.

Les dimensions de la conduite rigide-déroulée sont présentées dans le tableau 1 :

Les matériaux de la conduite rigide-déroulée sont présentés ci-après : Métal du tube 10 : acier XC 65 module d'Young = 210 000 MPa

Matériau isolant 11 : mousse de polypropylène, module d'Young 1 250 MPa

Matériau de remplissage 14 : polyuréthane plein, module d'Young

50 MPa W

11

Polymère 12 : Polypropylène plein, Module d'Young=1 500 MPa, coefficient poisson 0,36, Limite élastique 50 MPa, déformation à la rupture supérieure à 40%. La simulation a consisté à observer le comportement de la conduite rigide-déroulée comportant une soudure 13, lorsqu'elle est enroulée sur une roue rigide ayant un rayon de 9,5 m. Lorsque la conduite est enroulée sur la roue de stockage, le tube acier 0 subit une déformation plastique de 1 %.

La figure 4 présente la déformation plastique cumulée ECP en % à la fin de l'opération d'enroulement de la conduite rigide-déroulée sur la roue, sans gaine polymère 12 (courbe en trait pointillé) et avec la gaine polymère 12 (courbe en noir). Sur la figure 4, la déformation plastique cumulée est représentée en fonction de la position P en mètre le long de la conduite, la soudure étant située à la position 0. La simulation montre que la conduite rigide déroulée dépourvue de la gaine polymère 12 flambe lors de l'opération d'enroulement autour de la roue, au niveau de la soudure, il n'est pas possible d'enrouler toute la conduite. Par contre la conduite rigide déroulée munie de la gaine polymère 12 ne flambe pas et les efforts localisés dans la soudure 13 restent limités. L'enroulement peut être mené à son terme.

Pour évaluer la répartition de la raideur de la structure de la conduite rigide-déroulée entre le tube métallique 10 et la gaine 12, le comportement en flexion du tube 10 et de la gaine 12 ont été simulés séparément.

Les moments de flexion MF, en kN.m, sont comparés sur la figure 5, la courbe en trait pointillé correspondant au tube en acier 10 et la courbe en noir correspondant au tube polymère 12. Sur la figure 5, la variation des moments de flexion est représentée en fonction de la déformation en flexion EF en %. Le tube polymère 12 a un diamètre plus important et une épaisseur plus importante que ceux du tube acier 10. C'est pourquoi, bien que le polymère soit moins raide que le métal, les efforts de flexion supportés par le tube polymère sont non négligeables en comparaison au tube en acier. On remarque que le moment de flexion du tube en acier atteint un maximum à environ 3,4% de la déformation de flexion. A ce point, la raideur résiduelle du tube acier n'est plus suffisante pour contrecarrer la réduction du moment d'inertie due à l'ovalisation du tube.

Les raideurs résiduelles en flexion TRF, en kN.m, sont comparées sur la figure 6, la courbe en trait pointillé correspond au tube en acier 10, la courbe en noir correspond au tube polymère 12. Sur la figure 6, la variation de la raideur résiduelle en flexion est représentée en fonction de la déformation de flexion EF en %. Sur la figure 6, on constate que la raideur du tube en acier 10 est très grande à faible déformation (inférieure à 0,5%), puis elle chute très rapidement et devient inférieure à celle du tube en polymère 12. La raideur du tube acier est si basse pour une déformation de flexion supérieur à 0,6% que la raideur de la structure de la conduite rigide-déroulée (tube acier 10 + couche d'isolant 14 + gaine polymère 12) ne repose pratiquement plus que sur la raideur de la gaine polymère 12. Pour des déformations en flexion supérieures à 3,4%, la raideur en flexion du tube acier est négative, ce qui signifie que le tube devient instable en flexion s'il n'est pas stabilisé par la gaine 12.

Par conséquent, les simulations confirment clairement que la gaine polymère 12 permet d'augmenter la raideur et la stabilité de la conduite rigide- déroulée lorsqu'elle est déformée dans le domaine plastique du tube en acier 10.