FR2828262A1 - Element de conduite haute pression en tube frette - Google Patents
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Abstract
- Elément de conduite haute pression en tube fretté pour réaliser les conduites " kill line " et " choke line " équipant les installations pétrolières, notamment offshore. L'élément de conduite haute pression est un ensemble constitué de deux raccords (3) et (4) respectivement soudés aux deux extrémités d'un tube métallique (1). L'ensemble métallique est fretté. Le frettage (2) recouvrant le tube (1) comporte un nombre de couches de frettage suffisant pour résister à une pression interne déterminée. Des zones de transitions dans le voisinage des soudures (5) et (7) comportent des couches de frettages supplémentaires.
Description
(" booster line ") et ligne de retour de boue (" mud return line ").
La présente invention concerne le domaine des conduites haute pression pour équiper une installation de forage pétrolier, et/ou une installation de production. Plus précisément, elle concerne une application de la technique du frettage pour renforcer des tubes métalliques par des éléments
de renfort en matériau composite.
La technique du frettage consiste à enrouler un élément de renfort, généralement sous forme d'une bande en fbres enrobées dans un polymère, autour d'un noyau métallique afin d'augmenter la résistance du noyau à la pression interne sans augmenter son poids de manière signifcative compte
tenu du faible poids des bandes.
Le noyau peut être un tube métallique, par exemple en acier. L'élément de renfort est un élément allongé. I1 peut se présenter sous la forme d'un ruban, d'un fl, ou de prétérence d'un ensemble de fls ou mèche enrobée
dans une matrice polymère.
L'élément de renfort peut être enroulé autour du noyau en y introduisant une tension. Ainsi, l'élément de renfort enroulé autour du noyau est contraint en traction ce qui introduit la mise sous contrainte du noyau métallique. La précontrainte subie par le noyau est semblable à celle que
produirait une pression extérieure d'écrasement.
Pour produire un pétrole à partir d'un gisement situé en mer, on utilise une colonne montante, généralement appelée " riser ", permettant de relier la tête de puits, située au niveau du fond marin, à la surface de la mer. La colonne montante constitue le prolongement du tubage qui achemine le pétrole du fond du puits jusqu'à la tête de puits. La conduite " riser " est munie d'au moins deux conduites auxiliaires appelées " kill line " et " choke line " qui ont pour fonction principale d'établir une liaison hydraulique entre la surface de la mer et la tête de puits située sur le fond marin. Plus particulièrement, les conduites auxiliaires permettent d'alimenter en fluide le puits en circulant sous l'obturateur de sécurité fermé, et/ou d'évacuer un fluide du puits, sans passer par l'intérieur de la colonne montante qui n'est pas résistante à une haute pression. Le fluide convoyé, provenant d'une "venue " d'un réservoir
sous-terrain peut circuler sous une pression de 700 bars.
La présente invention propose d'utiliser des tubes *ettés afin de réduire le poids des conduites auxiliaires. Elle a pour but de proposer un mode de réalisation simple et économique d'un élément de conduite haute pression
en tube fretté.
La présente invention concerne un élément de conduite haute pression comportant au moins une couche de frettage sur un noyau métallique. Le noyau est constitué d'une partie principale à laquelle sont soudés deux moyens de raccordement à chaque extrémité. La partie principale comporte un nombre de couches de *ettage pour induire une précontrainte déterminée dans le noyau, et la conduite comporte des couches de frettages supplémentaires dans
une zone s'étendant de part et d'autre des deux soudures.
Selon la présente invention, les couches de frettages supplémentaires
peuvent s'étendre sur au moins 50 mm sur la partie principale.
Les extrémités des moyens de raccordement peuvent ne pas être frettées et peuvent comporter une épaisseur suffisante pour résister au moins
à la même pression interne que la partie principale frettée.
La surface extérieure des moyens de raccordement peut former un cône entre la partie principale et chacune des extrémités des moyens de raccordement. Les cônes peuvent être recouverts au moins en partie par les
couches de frettage supplémentaires.
Selon la présente invention, l'élément de conduite est recouvert sur toute la surface externe d'une couche de protection en fbre de verre enrobée de
matrice polyamide colorée.
L'élément de conduite selon la présente invention peut être utilisé pour fabriquer une ligne auxiliaire d'un riser de forage, la ligne auxiliaire pouvant être une ff kill line ", une " choke line ", une ligne de gavage (ff booster line ")
ou une ligne de retour de boue (" mud return line ").
D'autres détails, particularités et avantages de l'invention seront mieux compris à la lecture d'un exemple de réalisation de l'invention, nullement limitatif, décrit en référence aux figures ci-après annexées parmi lesquelles: - la figure 1 représente un élément de conduite en tube *etté selon l'invention, la figure 2 représente la zone de transition de la première extrémité d'un tube fretté, coté raccord femelle, la figure 3 représente la zone de transition de la deuxième
l 0 extrémité d'un tube fretté, coté raccord male.
La figure 1 représente un élément de conduite haute pression en tube fretté selon l'invention. Cet élément comporte quatre parties distinctes: un tube métallique 1 ou noyau, un premier raccord 3, un deuxième raccord 4 et les couches de frettage 2. Le tube 1 a un diamètre interne D et une épaisseur e sensiblement constants sur la longueur du tube 1. Les raccord 3 et 4 sont des
pièces tubulaires obtenues, par exemple par usinage, forgeage ou moulage.
Selon la présente invention, le tube métallique 1 et les deux raccords 3 et 4 sont fabriqués indépendamment les uns des autres. Le tube 1 généralement fabriqué à partir d'une ébauche laminée. Puis, les raccord 3 et 4 sont soudés au tube 1. On soude le raccord 3 à l'une des extrémités du tube 1, la soudure étant indiquée par la référence 8 sur la figure 1. Et, on soude le raccord 4 à l'autre extrémité du tube 1, la soudure étant indiquée par la référence 9 sur la figure 1. On obtient ainsi un ensemble métallique. En enroulant un élément de renfort autour de cet ensemble métallique, on réalise le frettage 2 de l'ensemble métallique. L'élément de renfort peut être réalisé à partir d'une matrice de polyamide renforcée par des fibres de carbone. Le frettage comporte un nombre de couches suffisant pour que le tube résiste à une pression interne déterminée. L'ensemble métallique, composé des raccords 3 et 4, et du tube 1, est fretté sur toute sa longueur, mis à part à ses extrémités: la partie 33 du raccord 3 et la partie 63 du raccord 4, qui sont susceptibles de coopérer avec
l 0 d'autres éléments, ne sont pas frettées.
Le principe du frettage selon l'invention consiste à induire une précontrainte de compression dans le noyau métallique ou tube 1 par l'intermédiaire des bandes de renfort en composite. Ainsi précontraint, la capacité de résistance à la pression interne du tube 1 est augmentée, puisque la contrainte effective en pression est diminuée de la valeur de précontrainte induite à la fabrication. Autrement dit, la pression admissible dans cet élément de conduite est augmentée de la valeur de pression interne qui
équilibrerait la pression de frettage.
Dans la suite de la description on nomme "première zone de
transition " la zone entourée par le cercle 5 qui s'étend de part et d'autre de la soudure 8. On nomme " deuxième zone de transition " la zone entourée par le cercle 7 qui s'étend de part et d'autre de la soudure 9. Sur l'élément de conduite 1, la zone située entre la première zone et la deuxième zone de
transition est appelée " zone courante " rétérencée 6 sur la figure 1.
La zone courante 6 comporte un nombre de couches de frettage déterminé pour pouvoir résister à une pression interne déterminée. Le nombre de couche de frettage est généralement constant sur toute la longueur de la
zone courante 6.
Les soudures 8 et 9 constituent des endroits o il y a une hétérogénéité, et potentiellement une *agilisation à la fatigue. La présente invention propose de pallier à ces risques mécaniques dans des zones de l O transition, et d'augmenter la réaistance à la pression interne du tube fretté au
niveau des soudures 8 et 9.
Ainsi, un élément de conduite selon la présente invention présente l'avantage d'être plus résistant à la pression interne au niveau des zones de transition 5 et 7 qu'au niveau de la zone courante 6. Pour cela les zones de transition 5 et 7 sont recouvertes d'un frettage ayant un nombre de couche
plus élevé que celui recouvrant la zone courante 6.
La figure 2 représente plus en détail la première zone de transition 5.
Le tube métallique 1 est lié au raccord 3 par la soudure 8. Au niveau de la soudure 8, l'épaisseur de métal e et le diamètre D du tube 1 sont identiques à l'épaisseur de métal el et au diamètre D1 du raccord 3. Dixhuit couches de frettage (de la couche 10 à la couche 27) peuvent recouvrir la zone courante 6 et la première zone de transition 5. La couche 10 est déposée directement sur le tube métallique 1, la couche 27 constitue la surface extérieure du tube fretté. Avant l'enroulement de la couche 10, le tube métallique peut subir une préparation de surface, par exemple de type " Rilsan ", pour assurer une bonne adhérence de la couche 10 sur le tube métallique 1. La tension appliquée dans les couches varie de façon régulière de 2400 N pour la couche 10 jusqu'à 2320 N pour la couche 27. Pour augmenter la résistance à la pression interne au niveau de la soudure 8, on dépose des couches de frettage supplémentaires sur la première zone de transition 5. Au niveau de la soudure 8 et au-dessus des couches de frettage 10 à 27, on peut déposer vingt-deux couches de *ettage l O (de la couche 28 à la couche 49). Les vingt-deux couches de *ettages supplémentaires 28 à 49 recouvrent la première zone de transition 5. La couche 28 est déposée sur la couche 27 et la couche 49 constitue la surface extérieure du tube *etté au niveau de la première zone de transition 5. La tension appliquée dans les couches 28 à 49 peut 8tre de 1000 N. Par exemple, les couches de frettage 28 à 49 peuvent s'étendre à partir de la soudure 8 sur une longueur L1 au moins égale à 50 mm du coté du tube métallique 1 et sur une longueur L2 au moins égale à 25 mm du coté du raccord 3. Au-delà de la longueur L1 sur le tube 1, le nombre de couches supplémentaires 28 à 49 diminue progressivement de vingt deux jusqu'à zéro. Sur le tube 1, la couche
49 située à l'extérieur s'étend le moins loin, la couche 28 s'étend le plus loin.
Le raccord 3 peut 8tre partagé en trois parties ayant chacune au moins
une fonction distincte.
La partie 31 désigne l'extrémité du raccord 3 qui est soudée au tube 1.
Sur la figure 2, la partie 31 s'étend sur la longueur L2 à partir de la soudure 8.
La géométrie de la partie 31 est identique à la géométrie du tube 1: le diamètre intérieur D1 et l'épaisseur de métal el de la partie 31 sont sensiblement identiques au diamètre intérieur D et l'épaisseur de métal e du
tube 1. La partie 31 est frettée par les couches 10 à 49 précédemment décrites.
L'épaisseur de métal el et le nombre de couches de frettage sont choisis de manière à ce que la résistance à la pression interne de la partie 31 soit
supérieure à la résistance à la pression interne de la zone courante 6.
La partie 33 du raccord 3 a notamment pour fonction de coopérer avec un autre raccord. La partie 33 n'est pas frettée. L'épaisseur de métal e3 de la partie 33 est choisie de manière à ce que la résistance à la pression interne de la partie 33 soit au moins égale à la résistance à la pression interne de la zone courante 6. Sur la figure 2, le diamètre intérieur D3 de la partie 33 est identique au diamètre intérieur D1 de la partie 31 et l'épaisseur de métal e3
de la partie 33 est supérieure à l'épaisseur de métal el de la partie 31.
La partie 32 désigne la partie du raccord 3 située entre la partie 31 et la partie 33. La partie 32 a pour fonction de réaliser la transition entre la partie 31 qui a une épaisseur de métal el et un frettage constitué de quarante couches et la partie 33 non frettée qui a une épaisseur de métal e3 supérieure à el. Sur la partie 32, l'invention propose d'augmenter progressivement l'épaisseur de métal e2, et simultanément, de diminuer progressivement le nombre de couche de frettage. Ainsi l'augmentation de l'épaisseur de métal e2 et la diminution du nombre de couche de frettage sont choisies pour que la résistance à la pression interne de la partie 32 soit constamment au moins égale à la résistance à la pression interne de la zone courante 6. Le passage progressif de la géométrie de la partie 31 à la géométrie de la partie 33 évite les concentrations de contraintes. Sur la fgure 2, le diamètre D2 de la partie 32 est sensiblement identique aux diamètres D1 et D3 des parties 31 et 33. A l'interface entre la partie 31 et 32, 1'épaisseur de métal e2 de la partie 32 est sensiblement égale à l'épaisseur de métal el de la partie 31. Plus on s'éloigne
lO de l'interface entre la partie 31 et 32 plus l'épaisseur de métal e2 augmente.
La surface extérieure de la partie 32 peut étre un cône d'angle a. L'intérieur de la partie 32 est un cylindre de diamètre D2. Cette augmentation de l'épaisseur de métal e2 est accompagnée par une diminution progressive du nombre de couche de frettage. Le nombre de couche de frettage diminue progressivement de quarante couches au n*eau de l'interface entre la partie 31 et la partie 32 jusqu'à zéro couche lorsque l'épaisseur de métal e2 est sufUsante pour résister
à la pression interne.
La fgure 3 représente en détail la deuxième zone de transition 7. Le tube métallique 1 est lié au raccord 4 par la soudure 9. Au niveau de la soudure 9, l'épaisseur de métal e et le diamètre D du tube 1 sont identiques à l'épaisseur de métal e4 et au diamètre D4 du raccord 4. Dixhuit couches de frettage 10 à 27, précédemment décrite en relation avec la fgure 2, recouvrent la zone courante 6 et la deuxième zone de transition 7. Pour augmenter la résistance à la pression interne au niveau de la soudure 9, on dépose des couches de frettage supplémentaires sur la deuxième zone de transition 5. Par exemple, au niveau de la soudure 9 et au-dessus des couches de frettage 10 à 27, on dépose sept couches de *ettage (de la couche 60 à la couche 56). Les sept couches de frettages supplémentaires 60 à 56 recouvrent la deuxième zone de transition 7. La couche 50 est déposée sur la couche 27 et la couche 56 constitue la surface extérieure du tube fretté au niveau de la deuxième zone de transition 7. La tension appliquée dans les couches 50 à 56 peut être de lO 1000 N. Par exemple, les couches de frettage 50 à 56 peuvent s'étendre à partir de la soudure 9 sur une longueur L3 au moins égale à 50 mm du coté du tube métallique 1 et sur une longueur L4 au moins égale à 25 mm du coté du raccord 3. Au-delà de la longueur L3, le nombre de couches supplémentaires à 56 diminue progressivement de sept jusqu'à zéro. Sur le tube 1, la couche 56 situce à l'extérieur s'étend le moins loin, la couche 50 s'étend le plus loin
sur le tube 1.
Le raccord 4 peut étre partagé en trois parties ayant chacune au moins une fonction distincte. Les parties 61, 62 et 63 du raccord 4 sont
respectivement analogues aux parties 31, 32 et 33 du raccord 3.
La partie 61 désigne l'extrémité du raccord 4 qui est soudée au tube 1.
Sur la figure 3, la partie 61 s'étend sur la longueur L4 à partir de la soudure 9.
La géométrie de la partie 61 est sensiblement identique à la géométrie du tube 1: le diamètre intérieur D4 et l'épaisseur de métal el de la partie 61 sont sensiblement identiques au diamètre intérieur D et à l'épaisseur de métal e du tube 1. La partie 61 est frettée par les couches 10 à 27 et 50 à 56 précédemment décrites. L'épaisseur de métal e4 et le nombre de couches de frettage sont choisis de manière à ce que la résistance à la pression interne de la partie 61 soit supérieure à la résistance à la pression interne de la zone
courante 6.
La partie 63 du raccord 4 a notamment pour fonction de coopérer avec un autre élément. La partie 63 n'est pas frettée. L'épaisseur de métal e6 de la lO partie 63 est choisie de manière à ce que la résistance à la pression interne de la partie 63 soit au moins égale à la résistance à la pression interne de la zone courante 6. Sur la figure 3, le diamètre intérieur D6 de la partie 63 est inférieur au diamètre intérieur D4 de la partie 61 et l'épaisseur de métal e6 de
la partie 63 est supérieure à l'épaisseur de métal e4 de la partie 61.
La partie 62 désigne la partie du raccord 4 situce entre la partie 61 et la partie 63. La partie 62 a pour fonction de réaliser la transition entre la partie 61 qui a une épaisseur de métal e4 et un *ettage constitué de vingt-cinq couches et la partie 63 non frettée qui a une épaisseur de métal e6 supérieure à e4. Dans la partie 62, l'invention propose d'augmenter progressivement l'épaisseur de métal e6 et simultanément de diminuer progressivement le nombre de couche de frettage. Ainsi l'augmentation de l'épaisseur de métal e5 et la diminution du nombre de couche de frettage sont choisies pour que la résistance à la pression interne de la partie 62 soit constamment au moins égal à la résistance à la pression interne de la zone courante 6. Le passage progressif de la géométrie de la partie 61 à la géométrie de la partie 63 évite les concentrations de contraintes. Sur la figure 3, le diamètre D5 et l'épaisseur e5 de la partie 62 varient. A l'interface entre des parties 61 et 62, l'épaisseur de métal e5 de la partie 62 est sensiblement égale à l'épaisseur de métal e4 de la zone 61 et le diamètre D5 est sensiblement égal au diamètre D4. Plus on s'éloigne de la partie 61, plus l'épaisseur de métal e5 augmente et plus le diamètre D5 diminue. La surface intérieure de la partie 62 peut être lO constituée d'un c8ne d'angle p. La surface extérieure de la partie 62 peut être constituée d'un cane d'angle 8. Cette augmentation de l'épaisseur de métal e5 est accompagnée par une diminution progressive du nombre de couches de frettage. Sur la partie 62, le nombre de couche de *ettage diminue progressivement de vingt-cinq couches au niveau de l'interface entre la partie 61 et la partie 62 jusqu'à zéro couche lorsque l'épaisseur e5 est suffisante pour
résister seule à la pression interne.
La surface extérieure de l'élément de conduite selon l'invention peut être recouverte d'une enveloppe de protection. Cette enveloppe de protection peut être réalisée par bobinage, c'est à dire qu'on enroule un élément allongé
autour du tube su*ant des spires jointives et collées les unes aux autres.
L'élément allongé peut être bobiné sans tension. L'élément allongé peut être réalisé à partir d'une matrice en polyamide chargée de fibres de verre ou de kevelar. L'enveloppe de protection peut également servir à donner la
coloration externe du tube fretté, par exemple blanche.
Sur la figure 1, la pièce 70 représente une pièce d'usure. La pièce d'usure 70 est destinée à coopérer avec un raccord femelle 3 d'un autre élément de conduite et est fixée sur le raccord 4. La pièce d'usure 70 peut constituer la partie femelle de la liaison avec le raccord 4. La pièce d'usure est vissée sur le raccord 4. Des éléments d'étanchéité 71, par exemple des joints à lèvres, sont disposés entre la surface intérieure de la pièce d'usure 70 et la surface extérieure du raccord 4 pour
l O assurer l'étanchéité de la liaison.
La pièce d'usure 70 d'un premier tube peut constituer la partie mâle de la liaison avec le raccord 3 d'un second tube. La pièce d'usure 70 est en contact avec le raccord 3 selon la surface cylindrique 72. L'étanchéité peut être
également assurée par des joints d'étanchéité.
A la suite d'un certain nombre de connexions entre éléments de conduite, le raccord male peut être endommagé. Dans ce cas, la pièce d'usure
sera à changer, avec les joints correspondants de la pièce femelle 3.
Claims (8)
1) Elément de conduite haute pression comportant au moins une couche de frettage sur un noyau métallique, caractérisé en ce que ledit noyau est constitué d'une partie principale à laquelle sont soudés deux moyens de raccordement à chaque extrémité, en ce que ladite partie principale comporte un nombre de couches de frettage pour induire une précontrainte déterminée dans ledit noyau, et en ce que ladite conduite comporte des couches de frettages supplémentaires dans une zone s'étendant de part et d'autre des
deux soudures.
2) Elément de conduite selon la revendication 1, dans lequel lesdites couches de frettages supplémentaires s'étendent sur au moins 50 mm sur
ladite partie principale.
3) Elément de conduite selon l'une des revendications 1 et 2, dans lequel
des extrémités desdits moyens de raccordement ne sont pas frettées et comportent une épaisseur suffisante pour résister au moins à la méme
pression interne que la partie principale frettée.
4) Elément de conduite selon la revendication 3, dans lequel la surface extérieure des moyens de raccordement forme un cône entre ladite partie
principale et chacune desdites extrémités.
5) Elément de conduite selon la revendication 4, dans lequel lesdits cones sont recouverts au moins en partie par les couches de *ettage supplémentaires.
6) Elément de conduite selon l'une des revendications précédentes, dans
lequel ledit élément est recouvert sur toute la surface externe d'une couche de
protection en fibre de verre enrobée de matrice polyamide colorée.
7) Utilisation d'un élément de conduite selon l'une des revendications
précédentes pour la fabrication d'une ligne auxiliaire d'un riser de forage.
8) Utilisation selon la revendication 7 dans laquelle ladite ligne auxiliaire est l'une des lignes suivantes: "kill line ", " choke line ", ligne de gavage
(" booster line ") et ligne de retour de boue (" mud return line ").
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