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WO2009112664A2 - Conduite flexible pour le transport des hydrocarbures en eau profonde - Google Patents

Conduite flexible pour le transport des hydrocarbures en eau profonde Download PDF

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Publication number
WO2009112664A2
WO2009112664A2 PCT/FR2009/000010 FR2009000010W WO2009112664A2 WO 2009112664 A2 WO2009112664 A2 WO 2009112664A2 FR 2009000010 W FR2009000010 W FR 2009000010W WO 2009112664 A2 WO2009112664 A2 WO 2009112664A2
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WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
underwater
pipe according
flexible
fibers
flexible pipe
Prior art date
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Ceased
Application number
PCT/FR2009/000010
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English (en)
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WO2009112664A3 (fr
Inventor
Anh Tuan Do
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Technip Energies France SAS
Original Assignee
Technip France SAS
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Technip France SAS filed Critical Technip France SAS
Priority to BRPI0906252-1A priority Critical patent/BRPI0906252B1/pt
Priority to GB1010556.7A priority patent/GB2468801B/en
Priority to US12/812,055 priority patent/US8353316B2/en
Publication of WO2009112664A2 publication Critical patent/WO2009112664A2/fr
Publication of WO2009112664A3 publication Critical patent/WO2009112664A3/fr
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Priority to DKPA201070339A priority patent/DK178470B1/en
Ceased legal-status Critical Current

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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
    • 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

Definitions

  • the present invention relates to an underwater flexible pipe for the transport of hydrocarbons in deep water.
  • the flexible hydrocarbon transport pipes are already well known, and they generally comprise from the inside to the outside of the pipe, a metal carcass, an internal polymer sheath, a pressure vault, webs of traction armors and an outer sheath made of polymer to protect the entire pipe and in particular to prevent seawater from penetrating its thickness.
  • the metal casing and the pressure vault consist of longitudinal elements wound with short pitch, and they give the pipe its resistance to radial forces while the plies of tensile armor consist of metal wires wound in long steps to resume axial efforts.
  • the nature, number, sizing and organization of the layers constituting the flexible pipes are essentially related to their conditions of use and installation.
  • the concept of short-pitch winding designates any helical winding at a helix angle close to 90 °, typically between 75 ° and 90 °.
  • the concept of long-pitch winding covers helical angles less than 55 e , typically between 25 ° and 55 ° for armor plies.
  • a known solution that makes it possible to reduce the risk of radial buckling in "birdcage” consists in winding, at a short pitch, around the plies of tensile armor, ribbons reinforced with aramid fibers, and more specifically homopolymer fibers PPTA.
  • this abbreviation means poly-p-phenylene terephthalamide ("polyparaphenylene terephthalamide" in the English language).
  • Such ribbons have a high tensile strength along their longitudinal axis, which limits the swelling of the plies of tensile armor. They also have great flexibility in bending, which facilitates the handling and winding operations around the armor layers. Finally, with equal mechanical characteristics, they are much lighter than metal tapes, which reduces the weight of the flexible pipe. In particular, reference may be made to document FR 2 837 899 in which such a conduct is disclosed.
  • These reinforcing ribbons are in the form of bundles of filament strands consisting of PPTA homopolymer fibers oriented parallel to the longitudinal axis of the ribbon.
  • These longitudinal filament tows can be assembled with each other under the shape of a relatively flat beam having a substantially rectangular section of the type of that of a ribbon or band. It is also possible to use a reinforcing ribbon consisting of a substantially rectangular central section and two longitudinal edges thinner than the central section as described in document EP1419338.
  • the assembly and contention means of these filament tows generally comprise transverse elements which are shaped so as to surround and clamp together the said locks so as to form a relatively flat bundle.
  • these transverse elements can be likened to weft threads, the filament strands forming the warp, and the tape can then be considered as a woven material.
  • Various embodiments of these reinforcing tapes are described in WO97 / 12753 and WO9713091. However, it was found despite this, that under extreme conditions of use, these reinforcing tapes could deteriorate. These extreme conditions are mainly encountered when the flexible pipe is on the one hand submerged at great depth, typically more than 2000m, and on the other hand simultaneously subjected to severe dynamic bending stresses, which generates a phenomenon of fatigue ribbons reinforcement.
  • a problem that arises and that aims to solve the present invention is to provide a subsea flexible pipe that can withstand in these extreme conditions of depth and dynamic stress bending, and for which the swelling of the tensile armor can be permanently contained to avoid radial buckling in "birdcage".
  • the present invention proposes a submarine flexible pipe intended for the transport of hydrocarbons, said flexible pipe comprising, from the inside to the outside, an internal sealing sheath, at least one sheet of traction armor wound around said internal sealing sheath, a holding layer comprising at least one reinforcement tape wound around said tensile armor ply, and at least one tubular structure which surrounds said holding layer, said reinforcing ribbon comprising filamentary strands oriented substantially longitudinally, said filament strands comprising polymer fibers; according to the invention, said polymer fibers have, at ambient temperature, a modulus of elasticity greater than 55 GPa so that said reinforcing tape is adapted to block the radial expansion of said armor layer, when said armor layer is subjected to radial efforts; and said polymer fibers further have a tensile extension greater than 4% so that said reinforcing tape is adapted to deform without breaking.
  • tape and “tape” ("tape” in English) are considered equivalent and are used interchangeably.
  • filament refers to a fiber of great length.
  • bond refers to a combination of the juxtaposition or assembly of several fibers or filaments.
  • roving refers to the juxtaposition or the assembly of several fibers, filaments or threads. In the case of reinforcement strips according to the present invention, the assembly between son and filaments is generally achieved by a relatively small twist so as not to degrade the tensile strength along the axis of the wick.
  • the above modulus of elasticity and elongation at break are measured by a tensile test in accordance with ASTM D885-04. This test is practiced not on an individual fiber, but on a thread consisting of 500 to 2500 identical fibers or filaments of the same length.
  • the twist of the wire used for the test is less than 100 turns per meter and for example, of the order of 60 turns per meter, which makes it possible to improve the reproducibility and the precision of the measurements, in accordance with the recommendations of the aforementioned standard.
  • the distance between the jaws at the beginning of the tensile test is of the order of 400 mm. Traction speed is of the order of 50 mm / min.
  • the ambient temperature at which these tests are made is of the order of 18 ° C. to 23 ° C.
  • a feature of the invention lies in the choice of a reinforcing tape whose modulus of elasticity ("tensile modulus” in English) of the polymer fibers having the reinforcing function is not necessarily very high, but whose extension to break (“elongation at break” in English) is relatively important. In this way, it is both the value of the modulus of elasticity greater than 55 GPa and the elongation at break or extension at break which must be greater than 4%, which matters.
  • the retaining layer is gripped between firstly the son constituting the outer layer of tensile armor and secondly the outer tubular structure.
  • the movements of the flexible pipe by generating relative displacements between the armor wires, lead to either locally stretching the retaining layer at the level of the gaps between said armor wires, or compressing it locally so that it forms folds at the level of said games.
  • the repetition of these cycles of compression and ply formation generates a phenomenon of fatigue of the polymer fibers.
  • the greater the extension at break of the polymer fibers of the holding layer is large, the less stretching and the folds of the holding layer between the armor wires are likely to cause the rupture of these polymer fibers. .
  • the implementation of a reinforcing tape whose polymer fibers having the reinforcing function have an extension at break greater than 4%, significantly improves the fatigue strength of the holding layer.
  • said polymer fibers furthermore have an extension at break, measured at ambient temperature, of greater than 4.2%. This feature provides a further improvement in the fatigue strength of the support layer.
  • said polymer fibers also have a modulus of elasticity, measured at room temperature, greater than 60 GPa. This characteristic makes it possible, with an equal amount of fibers, to reduce the swelling of the holding layer in cases where the outer sheath is not waterproof.
  • said polymer fibers have an extended tensile strength, measured at ambient temperature (according to ASTM D885-04) greater than 3000 MPa, so that the measurement of the area under the curve, stress / strain, which is representative of the energy that can absorb these fibers, is further increased.
  • said polymer fibers furthermore have an ultimate tensile strength, measured at a temperature of 130 ° C. (according to the ASTMD885-04 standard) greater than 2300 MPa, preferably 2500 MPa.
  • an ultimate tensile strength measured at a temperature of 130 ° C. (according to the ASTMD885-04 standard) greater than 2300 MPa, preferably 2500 MPa.
  • the polymers of said fibers are copolymers and preferably polymers belonging to the family of aramids and more particularly aramids of para type (as opposed to the meta type).
  • said polymer fibers are held together, preferably clamped against each other, so as to increase their coefficient of friction relative to each other and to increase the tensile strength of the filament tow.
  • the polymers of said fibers are co-poly-p-phenylene / 3,4'-oxydiphenylene terephthalamide ("co-poly- (paraphenylene / 3,4'-oxydiphenylene terephthalamide)" in the English language).
  • the reinforcing ribbon further comprises restraining means for holding together said filament strands.
  • said reinforcing tape is a woven material.
  • the restraining means intended to hold together the different filament strands then comprise at least one weft thread woven with said strands which constitute the chain elements. Since such weft yarns are not subjected to the tension forces applied to the strip, they can advantageously be made with a material that is not very resistant to that of the filamentary strands.
  • the reinforcing tapes are wound with a short pitch, which makes it possible to increase the resistance to swelling of the holding layer.
  • this winding forms contiguous turns, to make the support layer more resistant.
  • the holding layer may consist of several windings superimposed on each other and optionally crossed between them. This makes it possible to produce a holding layer having a thickness greater than that of the strips.
  • tubular structure advantageously comprises an outer sealing sheath which is applied to the holding layer, and which compresses it against the armor plies when the pipe is extended in the deep seabed.
  • FIG. 1 is a partial schematic perspective view of a flexible pipe according to the invention.
  • Figure 2 is a graph illustrating the mechanical properties of polymeric synthetic materials.
  • FIG. 3 is a partial schematic perspective view of a reinforcing tape according to the invention.
  • FIG. 1 illustrates a pipe according to the invention comprising, from the outside towards the inside, an outer polymeric sheath 10 (called outer sheath), a retaining layer 12 which will be detailed hereinafter around an outer layer of traction armor 14, an inner ply of traction armors 16 wound in the opposite direction of the outer ply 14, a pressure vault 20 for absorbing the radial forces generated by the pressure of the transported fluid, an internal polymeric sheath sealing 18 and an internal carcass 17 for taking up the radial forces of crushing. Due to the presence of the inner carcass 17, this pipe is said to not smooth passage ("rough bore" in English). The invention could also be applied to a so-called smooth-bore (English-speaking) pipe, having no internal carcass.
  • outer sheath an outer polymeric sheath 10
  • retaining layer 12 which will be detailed hereinafter around an outer layer of traction armor 14
  • an inner ply of traction armors 16 wound in the opposite direction of the outer ply 14 a pressure vault 20 for absorbing the
  • the scope of the present invention would not be eliminated by eliminating the pressure vault 20, provided that the helix angles of the wires constituting the armor plies 14, 16 are close to 55 ° and in the opposite direction.
  • Armor plies 14, 16 are obtained by long pitch winding of a set of son of metal or composite material, generally of substantially rectangular section. The invention would also apply if these wires had a section of circular or complex geometry, of the type for example T auto-stapled.
  • FIG 1 only two plies of armor 14 and 16 are shown, but the pipe could also include one or more additional pairs of armor.
  • the armor ply 14 is said to be external because it is here the last, starting from the inside of the pipe, before the outer sealing sheath 10.
  • the retaining layer 12 is generally wound around the outer ply 14, but the invention would also apply to the case of a holding layer interposed between two layers of tensile armor. Such a configuration is disclosed in document FR 2 837 899.
  • the retaining layer 12 may consist of several strips, strips, ribbons or unitary elements wound with a short pitch around the outer armor ply 14. This winding is generally joined or overlapped so as to increase the recovery capacity of the radial inflation forces.
  • the unitary elements of the holding layer have a high longitudinal tensile strength, along their longitudinal axis.
  • the unitary holding elements are made of suitable materials, and in this case in a reinforcing ribbon of polymer fibers whose characteristics are specific.
  • the reinforcing tape is made by woven or non-woven assembly of said fibers.
  • This holding layer 12 is intended to block the radial expansion of said armor ply, when it undergoes radial forces. And this is the case when the flexible pipe, extended in a deep seabed, undergoes a significant inverse bottom effect, and the traction armor plies 14, 16 tend to swell radially under the effect of the axial compression. As long as the outer sheath 10 is sealed, the holding layer 12 has no function since the blocking of the radial swelling of the traction armor plies 14, 16 is ensured by the external hydrostatic pressure.
  • the holding layer 12 must immediately block the radial expansion of the armor plies and thus prevent the formation of a fault in the form of "bird cage". Also, the retaining layer 12 must be sufficiently strong to resume the radial expansion of the tensile armor 14, 16, at the moment when a possible tearing of the outer sheath 10 occurs.
  • the mechanical characteristics polymers adapted to withstand the very severe loading conditions mentioned above were not so much those of a high modulus of elasticity, but rather those of a combination of a high elongation capacity with a relatively high modulus. Such materials have at room temperature a modulus of elasticity greater than 55 GPa, advantageously greater than 60 GPa, and especially elongation at break relatively large, in practice greater than 4% and preferably greater than 4.2%.
  • an anti-wear layer (“anti-wear layer” in English) of polymeric material may be interposed between the outer layer of tensile armor 16 and the holding layer 12, so as to prevent the fibers of polymer of the holding layer 12 may wear in contact with metal armor.
  • Anti-wear layers which are well known to those skilled in the art, are generally made by helical winding of one or more ribbons obtained by extrusion of a polymeric material based on polyamide, polyolefins, or PVDF (" polyvinylidene fluoride ").
  • WO2006 / 120320 which describes anti-wear layers consisting of polysulfone (PSU), polyethersulfone (PES), polyphenylsulfone (PPSU), polyetherimide (PEI), polytetrafluoroethylene (PTFE), polyetheretherketone (PEEK) ribbons. or phenylene polysulfide (PPS).
  • PSU polysulfone
  • PES polyethersulfone
  • PPSU polyphenylsulfone
  • PEI polyetherimide
  • PTFE polytetrafluoroethylene
  • PEEK polyetheretherketone
  • PPS phenylene polysulfide
  • FIG. 2 illustrating the mechanical properties of the polymers adapted to form reinforcing tapes according to the invention.
  • the curve 22 in broken lines illustrates the mechanical characteristics of a polymer which is not suitable for producing a reinforcing tape according to the invention, while the curve 24 in solid line is that of a polymer which is suitable.
  • the curve 22 is that of polymer fibers whose modulus of elasticity E, corresponding to the slope of the first portion of curve 26, is large but whose elongation at the breaking point 28 is relatively low, here of 2.5%%.
  • the curve 24 bears witness to a modulus of elasticity E corresponding to the slope of the first part of the curve 30, less important but greater than 55 GPa 1 and above all, of an elongation at the breaking point 32 greater than 4 %.
  • the polymer corresponding to the Curve 22 extends much less than that corresponding to curve 24.
  • the first elongates on the order of 1, 2% and the second on the order of 2%. Therefore, with equivalent loading and equivalent dimensions, a holding layer consisting of the polymer corresponding to the layer 24 inflates almost twice as much as another consisting of the polymer corresponding to the layer 22.
  • the polymer fibers having a modulus of elasticity greater than 55 GPa also generally exhibit an almost linear and elastic behavior until rupture. The phase of plastic deformation just before the break is then very short, so that in practice, the elastic limit is very close to the limit at break.
  • High performance polyethylene polymers are known which have both a modulus of elasticity greater than 55 GPa and an elongation at break of more than 4%. These materials can be used for the implementation of the present invention, subject however to being limited to low temperature applications, typically less than 40 ° C. In fact, the melting temperature of the polyethylene fibers is of the order of 150 0 C, so that above a temperature of 50 ° C, creep phenomena and falling mechanical characteristics greatly degrade their performance.
  • aramid polymers it is more advantageous to use aramid polymers because they have a much better temperature behavior, especially around 130 0 C, which is the maximum temperature that, given the current technologies, can endure a conduct flexible hydrocarbon transport.
  • the melting temperature of the aramid fibers is very high, of the order of 500 0 C. Therefore, they do not degrade at temperatures below 13O 0 C 1 and retain these essential temperatures their mechanical characteristics .
  • some of these fibers have a tensile strength greater than 2700 MPa at 80 ° C. and 2300 MPa at 130 ° C., which allows their use in flexible pipes intended for the transport of hydrocarbons at 130 ° C. .
  • copolymers generally have a lower crystallinity level than the PPTA homopolymers, which gives them a greater capacity to absorb deformations of large amplitude while retaining their essential mechanical properties.
  • FIG. 3 illustrates an example of reinforcing tape 34 according to the invention.
  • the ribbon 34 comprises several filament strands 36 oriented longitudinally with respect to its axis.
  • the locks 36 are consisting of assembling yarns, filaments or fibers 38 made of a polymeric material according to the present invention.
  • the locks 36 are juxtaposed and held together by restraining means 40, 42 oriented transversely to the axis of the ribbon 34.
  • These restraining means may comprise links 42 surrounding the assembly, or weft threads 40 woven with the filament strands 36, the latter then constituting the warp elements. Since the restraining means do not have the function of taking up longitudinal tensile forces, they can be made with polymers that are less resistant than those used for filament strands 36.

Landscapes

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  • General Engineering & Computer Science (AREA)
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Abstract

L'invention concerne une conduite flexible sous-marine, ladite conduite flexible comprenant, une gaine d'étanchéité interne (18), au moins une nappe d'armures de traction (14,16) enroulée autour de ladite gaine d'étanchéité interne, une couche de maintien (12) comprenant au moins un ruban de renfort (34), ledit ruban de renfort comportant des mèches filamentaires (36) orientées sensiblement longitudinalement, lesdites mèches filamentaires (36) comprenant des fibres de polymère (38); selon l'invention lesdites fibres de polymère présentent à température ambiante un module d'élasticité supérieur à 55 GPa de façon que ledit ruban de renfort soit adapté à bloquer l'expansion radiale de ladite nappe d'armures, lorsque ladite nappe d'armures subit des efforts radiaux; et lesdites fibres de polymère présentent en outre une extension à la rupture supérieure à 4% de manière à ce que ledit ruban de renfort soit adapté à subir des déformations sans se rompre.

Description

Conduite flexible pour le transport des hydrocarbures en eau profonde
La présente invention se rapporte à une conduite flexible sous- marine destinée au transport des hydrocarbures en eau profonde. Les conduites flexibles de transport des hydrocarbures sont déjà bien connues, et elles comportent généralement de l'intérieur vers l'extérieur de la conduite, une carcasse métallique, une gaine d'étanchéité interne en polymère, une voûte de pression, des nappes d'armures de traction et une gaine externe en polymère pour protéger l'ensemble de la conduite et notamment pour empêcher l'eau de mer de pénétrer dans son épaisseur. La carcasse métallique et la voûte de pression sont constituées d'éléments longitudinaux enroulés à pas court, et elles confèrent à la conduite sa résistance aux efforts radiaux tandis que les nappes d'armures de traction sont constituées de fils métalliques enroulés selon des pas longs pour reprendre les efforts axiaux. La nature, le nombre, le dimensionnement et l'organisation des couches constituant les conduites flexibles sont essentiellement liés à leurs conditions d'utilisation et d'installation. Dans la présente demande, la notion d'enroulement à pas court désigne tout enroulement hélicoïdal selon un angle d'hélice proche de 90°, typiquement compris entre 75° et 90°. La notion d'enroulement à pas long recouvre quant à elle les angles d'hélice inférieurs à 55e, typiquement compris entre 25° et 55° pour les nappes d'armures.
Ces conduites flexibles sont destinées au transport des hydrocarbures notamment dans les fonds marins et ce, à de grandes profondeurs. Plus précisément elles sont dites de type non lié («unbonded» en langue anglaise) et elles sont ainsi décrites dans les documents normatifs publiés par l'American Petroleum lnstitute (API), API 17J et API RP 17B.
Lorsque la conduite flexible, quelle que soit sa nature, est soumise à une pression externe qui est plus élevée que la pression interne, il peut se produire une compression axiale qui est connue de l'homme du métier sous le nom d'effet de fond inverse (« reverse end cap effect » en langue anglaise). L'effet de fond inverse a tendance à comprimer axialement la conduite flexible, à raccourcir sa longueur et à augmenter son diamètre, ce qui a tendance à provoquer un gonflement des nappes d'armures de traction. Dans le cas où la gaine externe de la conduite est étanche, la pression hydrostatique régnant à l'extérieur de la conduite s'oppose efficacement au gonflement des armures de traction. Par contre, si la gaine externe n'est plus étanche, par exemple suite à une déchirure accidentelle, la pression hydrostatique ne s'oppose plus au gonflement des nappes d'armures de traction. Par suite, en l'absence d'un moyen additionnel ayant pour fonction de limiter ce gonflement, les fils composant les nappes d'armures de traction peuvent flamber selon un mode radial, ce qui peut provoquer une déformation locale irréversible desdites nappes d'armures ayant la forme d'une « cage d'oiseau », et ainsi entraîner la ruine de la conduite. Une solution connue permettant de réduire ce risque de flambement radial en "cage d'oiseau" consiste à enrouler à pas court, autour des nappes d'armures de traction, des rubans renforcés de fibres d'aramide, et plus précisément de fibres homopolymère PPTA, cette abréviation signifiant poly-p-phénylène téréphtalamide (« polyparaphenylene téréphtalamide » en langue anglaise). De tels rubans présentent une grande résistance mécanique en traction suivant leur axe longitudinal, ce qui permet de limiter le gonflement des nappes d'armures de traction. Ils présentent en outre une grande souplesse en flexion, ce qui facilite les opérations de manutention et d'enroulement autour des nappes d'armures. Enfin, à caractéristiques mécaniques égales, ils sont beaucoup plus légers que des rubans métalliques, ce qui permet de réduire le poids de la conduite flexible. On pourra notamment se référer au document FR 2 837 899 dans lequel une telle conduite est divulguée.
Ces rubans de renfort se présentent sous la forme de faisceaux de mèches filamentaires constituées de fibres homopolymère PPTA orientées parallèlement à l'axe longitudinal du ruban. Ces mèches filamentaires longitudinales peuvent être assemblées les unes avec les autres sous la forme d'un faisceau relativement plat ayant une section sensiblement rectangulaire du type de celle d'un ruban ou d'une bande. Il est également possible d'utiliser un ruban de renfort constitué d'une section centrale sensiblement rectangulaire et de deux bords longitudinaux plus minces que la section centrale tel que décrit dans le document EP1419338. Les moyens d'assemblage et de contention de ces mèches filamentaires comportent généralement des éléments transverses qui sont conformés de manière à entourer et à serrer ensemble lesdites mèches de façon à former un faisceau relativement plat. Dans les configurations courantes, ces éléments transverses sont assimilables à des fils de trame, les mèches filamentaires formant la chaîne, et le ruban pouvant alors être considéré comme un matériau tissé. Différents modes de réalisation de ces rubans de renfort sont décrits dans les documents WO97/12753 et WO9713091. Cependant, il a été constaté malgré cela, que dans des conditions extrêmes d'utilisation, ces rubans de renfort pouvaient se détériorer. Ces conditions extrêmes se rencontrent principalement lorsque la conduite flexible est d'une part immergée à grande profondeur, typiquement à plus de 2000m, et d'autre part simultanément soumise à des sollicitations dynamiques sévères en flexion, ce qui génère un phénomène de fatigue des rubans de renfort.
Aussi, un problème qui se pose et que vise à résoudre la présente invention est de fournir une conduite flexible sous-marine qui puisse résister dans ces conditions extrêmes de profondeur et de sollicitations dynamiques en flexion, et pour laquelle le gonflement des armures de traction puisse être durablement contenu pour éviter le flambement radial en « cage d'oiseau ».
Dans le but de résoudre ce problème, la présente invention propose une conduite flexible sous-marine destinée au transport des hydrocarbures, ladite conduite flexible comprenant, de l'intérieur vers l'extérieur, une gaine d'étanchéité interne, au moins une nappe d'armures de traction enroulée autour de ladite gaine d'étanchéité interne, une couche de maintien comprenant au moins un ruban de renfort enroulé autour de ladite nappe d'armures de traction, et au moins une structure tubulaire qui entoure ladite couche de maintien, ledit ruban de renfort comportant des mèches filamentaires orientées sensiblement longitudinalement, lesdites mèches filamentaires comprenant des fibres de polymère ; selon l'invention lesdites fibres de polymère présentent à température ambiante un module d'élasticité supérieur à 55 GPa de façon que ledit ruban de renfort soit adapté à bloquer l'expansion radiale de ladite nappe d'armures, lorsque ladite nappe d'armures subit des efforts radiaux ; et lesdites fibres de polymère présentent en outre une extension à la rupture supérieure à 4% de manière à ce que ledit ruban de renfort soit adapté à subir des déformations sans se rompre.
Dans la présente demande, les termes « ruban » et « bande » (« tape » en langue anglaise) sont considérés équivalents et sont utilisés indifféremment. Le terme « filament » désigne une fibre de grande longueur. Le terme « fil » (« yarn » en langue anglaise) désigne un ensemble composé de la juxtaposition ou de l'assemblage de plusieurs fibres ou filaments.. Le terme « mèche filamentaire » (« roving » en langue anglaise) désigne la juxtaposition ou l'assemblage de plusieurs fibres, filaments ou fils. Dans le cas des bandes de renfort conformes à la présente invention, l'assemblage entre fils et filaments est généralement réalisé grâce à une torsion relativement faible de façon à ne pas dégrader la résistance en traction selon l'axe de la mèche.
Le module d'élasticité et l'extension à la rupture précités sont mesurés par un essai de traction conforme à la norme ASTM D885-04. Cet essai est pratiqué non pas sur une fibre individuelle, mais sur un fil constitué de 500 à 2500 fibres ou filaments identiques et de même longueur. La torsion du fil utilisé pour l'essai est inférieure à 100 tours par mètre et par exemple, de l'ordre de 60 tours par mètre, ce qui permet d'améliorer la reproductibilité et la précision des mesures, en accord avec les recommandations de la norme précitée. La distance entre mors en début d'essai de traction est de l'ordre de 400 mm. La vitesse de traction est de l'ordre de 50 mm /min. La température ambiante à laquelle sont faits ces essais est de l'ordre de 180C à 23°C
Ainsi, une caractéristique de l'invention réside dans le choix d'un ruban de renfort dont le module d'élasticité (« tensile modulus » en langue anglaise) des fibres de polymère ayant la fonction de renfort est non pas nécessairement très élevé, mais dont l'extension à la rupture (« elongation at break » en langue anglaise) est relativement importante. De la sorte, c'est à la fois la valeur du module d'élasticité supérieur à 55 GPa et l'allongement à la rupture ou l'extension à la rupture qui elle doit être supérieure à 4 %, qui importe.
En effet, la couche de maintien est prise en étau entre d'une part les fils constituant la nappe externe d'armures de traction et d'autre part la structure tubulaire externe. Or, les mouvements de la conduite flexible, en générant des déplacements relatifs entres les fils d'armures, conduisent soit à étirer localement la couche de maintien au niveau des jeux entre lesdits fils d'armures, soit à la comprimer localement de telle sorte qu'elle forme des plis au niveau desdits jeux. Par suite, la répétition de ces cycles de compression et de formation de plis génère un phénomène de fatigue des fibres de polymère. Or, plus l'extension à la rupture des fibres de polymère de la couche de maintien est grande, moins les étirements et les plis de la couche de maintien entre les fils d'armures ont de chance de provoquer la rupture de ces fibres de polymère. Et il s'avère que la mise en oeuvre d'un ruban de renfort dont les fibres de polymère ayant la fonction de renfort présentent une extension à la rupture supérieure à 4%, améliore significativement la tenue à la fatigue de la couche de maintien.
Avantageusement, lesdites fibres polymères présentent en outre une extension à la rupture, mesurée à température ambiante, supérieure à 4,2 %. Cette caractéristique procure une amélioration supplémentaire de la tenue à la fatigue de la couche de maintien. Avantageusement, lesdites fibres polymères présentent en outre un module d'élasticité, mesurée à température ambiante, supérieur à 60 GPa. Cette caractéristique permet, à quantité de fibres égale, de réduire le gonflement de la couche de maintien dans les cas où la gaine externe n'est pas étanche.
Au surplus, et de façon particulièrement avantageuse, lesdites fibres polymères présentent une résistance à la rupture en extension, mesurée à température ambiante, (selon la norme ASTM D885-04) supérieure à 3000 MPa, de sorte que la mesure de l'aire sous la courbe, contrainte/déformation, qui est représentative de l'énergie que peut absorber ces fibres, est plus encore augmentée.
Avantageusement, lesdites fibres polymères présentent en outre une résistance à la rupture en extension, mesurée à la température de 1300C (selon la norme ASTMD885-04) supérieure à 2300 MPa, préférentiellement 2500 MPa. De la sorte, il est possible de réaliser une couche de maintien pouvant opérer à une température de l'ordre de 1000C à 1300C, par exemple dans une conduite flexible destinée à transporter un fluide à haute température.
Avantageusement, les polymères desdites fibres sont des copolymères et de préférence des polymères appartenant à la famille des aramides et plus particulièrement, des aramides de type para (par opposition au type meta). En outre, lesdites fibres de polymère sont maintenues ensemble, de préférence serrées les unes contre les autres, de manière à augmenter leur coefficient de friction les unes par rapport aux autres et à accroître la résistance de la mèche filamentaire en traction.
Avantageusement, les polymères desdites fibres sont des co-poly-p- phénylène/3,4'-oxydiphénylène téréphtalamide (« co-poly-(paraphenylene /3,4'-oxydiphenylene terephthalamide) » en langue anglaise).
Par ailleurs, le ruban de renfort comporte en outre des moyens de contention pour maintenir ensemble lesdites mèches filamentaires. Selon un mode préféré de mise en oeuvre de l'invention, ledit ruban de renfort est un matériau tissé. Ainsi, les moyens de contention destinés à maintenir ensemble les différentes mèches filamentaires comportent alors au moins un fil de trame tissé avec lesdites mèches qui constituent les éléments de chaîne. De tels fils de trame n'étant pas soumis aux efforts de tension appliqués à la bande, ils peuvent avantageusement être réalisés avec une matière peu résistante différente de celle des mèches filamentaires. Avantageusement, les rubans de renfort sont enroulés à pas court, ce qui permet d'augmenter la résistance au gonflement de la couche de maintien.
Avantageusement, cet enroulement forme des spires jointives, pour rendre la couche de maintien plus résistante. En outre, la couche de maintien peut être constituée de plusieurs enroulements superposés les uns sur les autres et éventuellement croisés entre eux. Ceci permet de réaliser une couche de maintien présentant une épaisseur supérieure à celle des bandes.
De plus, la structure tubulaire comporte avantageusement une gaine d'étanchéité externe qui vient s'appliquer sur la couche de maintien, et qui la comprime contre les nappes d'armures lorsque la conduite est étendue dans les fonds marins de grande profondeur.
D'autres particularités et avantages de l'invention ressortiront à la lecture de la description faite ci-après de modes de réalisation particuliers de l'invention, donnés à titre indicatif mais non limitatif, en référence aux dessins annexés sur lesquels :
- la Figure 1 est une vue schématique partielle en perspective d'une conduite flexible selon l'invention ; et,
- Ia Figure 2 est un graphique illustrant les propriétés mécaniques de matériaux synthétiques de type polymère ; et,
- la Figure 3 est une vue schématique partielle en perspective d'un ruban de renfort selon l'invention.
La Figure 1 illustre une conduite conforme à l'invention comprenant, de l'extérieur vers l'intérieur , une gaine polymérique externe d'étanchéité 10 (appelée gaine externe), une couche de maintien 12 que l'on détaillera ci-après enroulée autour d'une nappe externe d'armures de traction 14, une nappe interne d'armures de traction 16 enroulée en sens opposé de la nappe externe 14, une voûte de pression 20 de reprise des efforts radiaux généré par la pression du fluide transporté, une gaine polymérique interne d'étanchéité 18 et une carcasse interne 17 de reprise des efforts radiaux d'écrasement. Du fait de la présence de la carcasse interne 17, cette conduite est dite à passage non lisse (« rough bore » en langue anglaise). L'invention pourrait aussi s'appliquer à une conduite dite à passage lisse (« smooth-bore » en langue anglaise), ne comportant pas de carcasse interne. De même, on ne sortirait pas du champ de présente invention en supprimant la voûte de pression 20, sous réserve que les angles d'hélice des fils constituant les nappes d'armures 14, 16 soient proches de 55° et en sens opposé. Les nappes d'armures 14, 16 sont obtenues par enroulement à pas long d'un ensemble de fils en matériau métallique ou composite, de section généralement sensiblement rectangulaire. L'invention s'appliquerait aussi si ces fils avaient une section de géométrie circulaire ou complexe, du type par exemple T autoagrafé. Sur la figure 1 , seules deux nappes d'armures 14 et 16 sont représentées, mais la conduite pourrait aussi comporter une ou plusieurs paires supplémentaires d'armures. La nappe d'armures 14 est dite externe car elle est ici la dernière, en partant de l'intérieur de la conduite, avant la gaine d'étanchéité externe 10. La couche de maintien 12 est généralement enroulée autour de la nappe externe 14, mais l'invention s'appliquerait aussi au cas d'une couche de maintien intercalée entre deux nappes d'armures de traction. Une telle configuration est divulguée dans le document FR 2 837 899. La couche de maintien 12, peut être constituée de plusieurs bandes, bandelettes, rubans ou éléments unitaires enroulés à pas court autour de la nappe externe d'armures 14. Cet enroulement est généralement jointif ou avec recouvrement de façon à augmenter la capacité de reprise des efforts radiaux de gonflement. Les éléments unitaires de la couche de maintien présentent une forte résistance en traction longitudinale, suivant leur axe longitudinal. Ainsi, les éléments unitaires de maintien sont réalisés dans des matériaux appropriés, et en l'espèce dans un ruban de renfort en fibres de polymère dont les caractéristiques sont spécifiques. Le ruban de renfort est réalisé par assemblage tissé ou non tissé desdites fibres. Cette couche de maintien 12 est destinée à bloquer l'expansion radiale de ladite nappe d'armures, lorsqu'elle subit des efforts radiaux. Et c'est le cas lorsque la conduite flexible, étendue dans un fond marin de grande profondeur, subit un effet de fond inverse important, et que les nappes d'armures de traction 14,16 tendent à gonfler radialement sous l'effet de la compression axiale. Tant que la gaine externe 10 est étanche, la couche de maintien 12 n'a aucune fonction puisque le blocage du gonflement radial des nappes d'armures de traction 14, 16 est assuré par la pression hydrostatique extérieure Par contre, si jamais la gaine externe 10 est accidentellement déchirée, la couche de maintien 12 doit immédiatement bloquer l'expansion radiale des nappes d'armures et ainsi empêcher la formation d'un défaut en forme de « cage d'oiseau ». Aussi, la couche de maintien 12 doit être suffisamment résistante pour reprendre l'expansion radiale des armures de traction 14, 16, au moment où survient un éventuel déchirement de la gaine externe 10. De façon inattendue, il a été découvert que les caractéristiques mécaniques des polymères adaptés à résister aux conditions très sévères de chargement précitées n'étaient pas tant celles d'un haut module d'élasticité, mais plutôt celles d'une combinaison d'une forte capacité d'allongement avec un module relativement élevé. De tels matériaux présentent à température ambiante un module d'élasticité supérieur à 55 GPa, avantageusement supérieur à 60 GPa, et surtout allongement à la rupture relativement important, en pratique supérieur à 4 % et avantageusement supérieur à 4,2%.
En outre, avantageusement, une couche anti-usure (« anti-wear layer » en anglais) en matériau polymérique peut être intercalée entre la nappe externe d'armures de traction 16 et la couche de maintien 12, de façon à éviter que les fibres de polymère de la couche de maintien 12 puissent s'user au contact avec des armures métalliques. Les couches anti-usure, qui sont bien connues de l'homme du métier, sont généralement réalisées par enroulement hélicoïdal d'un ou plusieurs rubans obtenus par extrusion d'un matériau polymérique à base de polyamide, de polyoléfines, ou de PVDF (« polyvinylidene fluoride » en anglais). On pourra aussi se reporter au document WO2006/120320 qui décrit des couches anti-usure constituées de rubans en polysulfone (PSU), polyethersulfone (PES), polyphenylsulfone (PPSU), polyetherimide (PEI), polytétrafluoroéthylène (PTFE), polyétheréthercétone (PEEK) ou polysulfure de phénylène (PPS). Dans les variantes non représentées où une couche de maintien est placée entre deux nappes d'armures de traction, il est avantageux d'intercaler deux couches anti-usure en contact respectivement avec les faces interne et externe de cette couche de maintien, de façon à éviter que les fibres de polymère de cette couche de maintien ne puissent être en contact direct avec l'une de ces deux nappes d'armures.
On se reportera à la Figure 2, illustrant les caractéristiques mécaniques des polymères adaptés à former des rubans de renfort conformes à l'invention. Sur cette figure 2, sont représentés en abscisse, les pourcentages d'allongement du polymère étudié et en ordonnées l'effort de traction qui s'exerce sur lui. La courbe 22 en traits interrompus illustre les caractéristiques mécaniques d'un polymère qui ne convient pas pour réaliser un ruban de renfort conforme à l'invention, tandis que la courbe 24 en trait plein est celle d'un polymère qui lui, convient. En effet, la courbe 22 est celle de fibres de polymère dont le module d'élasticité E, correspondant à la pente de la première partie de courbe 26, est important mais dont l'allongement au point de rupture 28 est relativement faible, ici de 2,5% %. En revanche, la courbe 24 témoigne d'un module d'élasticité E correspondant à la pente de la première partie de courbe 30, moins important mais supérieur à 55 GPa1 et surtout, d'un allongement au point de rupture 32 supérieur à 4 %. On peut noter qu'à niveau équivalent de contrainte en tension, le polymère correspondant à la courbe 22 s'allonge nettement moins que celui correspondant à la courbe 24. Par exemple, pour une contrainte de tension appliquée de 1500 MPa, Ie premier s'allonge de l'ordre de 1 ,2% et le second de l'ordre de 2%. Par conséquent, à chargement équivalent et à dimensions équivalentes, une couche de maintien constituée du polymère correspondant à la couche 24 gonfle quasiment deux fois plus qu'une autre constituée du polymère correspondant à la couche 22. Aussi, puisque la fonction de la couche de maintien est justement d'empêcher le gonflement des nappes d'armures de traction, l'homme du métier aurait antérieurement naturellement choisi le polymère à faible allongement et à fort module, ce choix permettant en outre de réduire la quantité de fibres et par conséquent le poids et le coût de la couche de maintien. La présente invention va donc à rencontre de ce préjugé.
On pourra aussi noter sur les exemples de la figure 2 que les fibres en polymère présentant un module d'élasticité supérieur à 55 GPa présentent aussi généralement un comportement quasi linéaire et élastique jusqu'à la rupture. La phase de déformation plastique juste avant la rupture est alors très brève, si bien qu'en pratique, la limite élastique est très proche de la limite à la rupture. On connaît des polymères de type polyéthylène à haute performance, qui ont à la fois un module d'élasticité supérieur à 55 GPa et un allongement à la rupture en traction supérieur à 4%. Ces matériaux peuvent être utilisés pour la mise en œuvre de la présente invention, sous réserve toutefois de se limiter aux applications à basse température, typiquement moins de 400C. En effet, la température de fusion des fibres polyéthylène est de l'ordre de 1500C, si bien qu'au-dessus d'une température de 5O0C, des phénomènes de fluage et de chute des caractéristiques mécaniques dégradent fortement leurs performances.
Il est plus avantageux d'utiliser des polymères de type aramide car ces derniers ont un bien meilleur comportement en température, en particulier aux alentours de 1300C, qui est la température maximale que, compte tenu des technologies actuelles, peut endurer une conduite flexible de transport d'hydrocarbures. En effet, la température de fusion des fibres en aramide est très élevée, de l'ordre de 5000C. Elles ne se dégradent donc pas aux températures inférieures à 13O0C1 et conservent à ces températures l'essentiel de leurs caractéristiques mécaniques. Ainsi, certaines de ces fibres possèdent une résistance à la rupture en extension supérieure à 2700 MPa à 8O0C et à 2300 MPa à 13O0C, ce qui permet leur emploi dans les conduites flexibles destinées au transport d'hydrocarbures à 130°C.
Parmi les polymères de type aramide, il s'est avéré, que les co-poly- p-phéhylène/3,4'-oxydiphénylène téréphtalamide, de formule :
Figure imgf000014_0001
étaient parfaitement adaptés pour réaliser un ruban de renfort destiné à former la couche de maintien 12 conforme à l'invention. De tels copolymères ont des caractéristiques mécaniques particulièrement avantageuses pour la mise en œuvre de la présente invention. En effet, à température ambiante, leur module d'élasticité est voisin de 70 GPa, leur allongement à la rupture de 4,5% et leur résistance à la rupture de 3400 MPa. Ces résultats sont issus d'essais de traction pratiqués selon la norme ASTM D885-04 sur un fil de densité linéaire de l'ordre de 3300 dtex constitué d'environ 2000 fibres élémentaires et présentant une torsion moyenne de 60 tours par mètre.
Ces copolymères présentent généralement un taux de cristallinité inférieur à celui des homopolymères PPTA, ce qui leur confère une plus grande capacité à absorber des déformations de grande amplitude tout en conservant leurs propriétés mécaniques essentielles.
La Figure 3 illustre un exemple de ruban de renfort 34 selon l'invention. Le ruban 34 comporte plusieurs mèches filamentaires 36 orientées longitudinalement par rapport à son axe. Les mèches 36 sont constituées de l'assemblage de fils, filaments ou fibres 38 réalisés en un matériau polymère conforme à la présente invention. Les mèches 36 sont juxtaposées et maintenues ensemble par des moyens de contention 40, 42 orientés transversalement par rapport à l'axe du ruban 34. Ces moyens de contention peuvent comporter des liens 42 entourant l'ensemble, ou des fils de trame 40 tissés avec les mèches filamentaires 36, ces dernières constituant alors les éléments de chaîne. Les moyens de contention n'ayant pas la fonction de reprise des efforts longitudinaux de traction, ils peuvent être réalisés avec des polymères moins résistants que ceux utilisés pour les mèches filamentaires 36.

Claims

REVENDICATIONS
1. Conduite flexible sous-marine destinée au transport des hydrocarbures, ladite conduite flexible comprenant, de l'intérieur vers l'extérieur, une gaine d'étanchéité interne (18), au moins une nappe d'armures de traction (14,16) enroulée autour de ladite gaine d'étanchéité interne, une couche de maintien (12) comprenant au moins un ruban de renfort (34) enroulé autour de ladite nappe d'armures de traction, et au moins une structure tubulaire (10) qui entoure ladite couche de maintien, ledit ruban de renfort comportant des mèches filamentaires (36) orientées sensiblement longitudinalement, lesdites mèches filamentaires (36) comprenant des fibres de polymère (38) ; caractérisée en ce que lesdites fibres de polymère présentent à température ambiante un module d'élasticité supérieur à 55 GPa de façon que ledit ruban de renfort soit adapté à bloquer l'expansion radiale de ladite nappe d'armures, lorsque ladite nappe d'armures subit des efforts radiaux ; et en ce que lesdites fibres de polymère présentent en outre une extension à la rupture supérieure à 4% de manière à ce que ledit ruban de renfort soit adapté à subir des déformations sans se rompre.
2. Conduite flexible sous-marine selon la revendication 1 , caractérisée en ce que ledit ruban de renfort comporte en outre des moyens de contention (40,42) pour maintenir ensemble lesdites mèches filamentaires (36).
3. Conduite flexible sous-marine selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que lesdites fibres de polymère (38) sont maintenues ensemble les unes contre les autres.
4. Conduite flexible sous-marine selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que lesdites fibres polymères présentent à température ambiante une extension à la rupture supérieure à 4,2%.
5. Conduite flexible sous-marine selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que lesdites fibres polymères présentent à température ambiante un module d'élasticité supérieur à 60 GPa.
6. Conduite flexible sous-marine selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que lesdites fibres polymères présentent à température ambiante une résistance à la rupture en extension supérieure à 3000 MPa.
7. Conduite flexible sous-marine selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que les polymères desdites fibres présentent à la température de 130° une résistance à la rupture en extension supérieure à 2300 MPa.
8. Conduite flexible sous-marine selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisée en ce que les polymères desdites fibres sont des copolymères.
9. Conduite flexible sous-marine selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisée en ce que les polymères desdites fibres sont des polymères appartenant à la famille des aramides.
10. Conduite flexible sous-marine selon la revendication 9, caractérisée en ce que les polymères desdites fibres sont des co-poly-p- phénylène/3,4'-oxydiphénylène téréphtalamide.
11. Conduite flexible sous-marine selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisée en ce que lesdites mèches filamentaires sont tissées pour former ledit ruban de renfort.
12. Conduite flexible sous-marine selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisée en ce que ladite structure tubulaire comporte une gaine d'étanchéité externe qui vient s'appliquer sur ladite couche de maintien.
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