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FR2831240A1 - Tube multistructure de grande flexibilite - Google Patents

Tube multistructure de grande flexibilite Download PDF

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Abstract

Un tube multistructure destiné à transporter un fluide, utilisé notamment dans les installations pétrolières, comprenant une première structure tubulaire creuse et fermée possédant une rangée de fentes sensiblement circonférentielles, chacune des fentes s'étendant sur un arc de plus de 180° et définissant une bande de tension s'étendant en forme d'hélice le long de la première structure tubulaire, et au moins une seconde structure tubulaire possédant également au moins une bande de tension également en forme d'hélice de même sens et de même pas que la bande de tension de la première structure tubulaire, et les bandes de tensions de la première et de la deuxième structure tubulaire étant maintenues à une distance fixe l'une par rapport à l'autre par appui de la deuxième bande de tension sur la première structure tubulaire pour fournir la capacité en traction du tube.

Description

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TUBE MULTISTRUCTURE DE GRANDE FLEXIBILITE
RefRG3
DOMAINE TECHNIQUE
Cette invention concerne les tubes flexibles de grand diamètre pour les installations de forage et production pétrolière pouvant supporter de hautes pression tout en maintenant une grande flexibilité.
ETAT DE LA TECHNIQUE
Dans les opérations de production pétrolière, des tubes flexibles sont utilisés dans des applications diverses telles que les conduites. Un tube flexible est ici défini comme étant un tube qui pendant son transport et son installation est suffisamment flexible le long de son axe longitudinal pour accepter un rayon minimum de courbure au moins 10 fois plus faible que celle du tube rigide de même dimension. Ces tubes flexibles doivent être capable de supporter des pressions intérieures importantes qui peuvent atteindre 35MPa à 70 MPa (5,000 à 10,000 psi). Dans les utilisations de production sous-marine, ils doivent être capables de supporter l'écrasement dû aux pressions extérieures ainsi que des efforts de tension pendant leur installation.
Le brevet EP 871,831 décrit un flexible monolithique comportant une structure tubulaire métallique unique associée à des moyens pour contenir le fluide transporté à l'intérieur de cette structure tubulaire. La structure tubulaire comporte au moins deux rangées de fentes s'étendant le long de la paroi pour donner la flexibilité. Chacune des fentes s'étend dans une direction sensiblement circonférentielle sur un arc inférieur à 180 . L'espace entre les rangées de fentes définit au moins deux bandes de tension qui s'étendent le long de la structure tubulaire du tube. Les rangées de fentes et les bandes s'étendent le long d'hélices. Les arches délimitées par les fentes sont également sur des hélices, mais inclinées dans un sens opposé avec un angle d'hélice beaucoup plus élevé par rapport à l'axe du tube flexible.
Les flexibles monolithique apportent un gain en simplicité par rapport aux autres flexibles de grand diamètre disponibles basés sur la technique du câble mais la présence des deux bandes de tension diamétralement opposées sur la même structure tubulaire monolithique engendre des déformations plastiques importantes lors des opérations de flexion dans les arches à faible pas qui relient les bandes de tension notamment pendant
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l'enroulement et le déroulement nécessaire à son transport et à son installation. Ceci est due à la faible longueur de ces arches qui de par la conception même du flexible monolithique ne peuvent excéder un demi circonférence. L'usage de ce flexible est donc limité à quelques cycles d'enroulement/déroulement et doit donc être réservé aux applications dites statiques où il n'existe pas ou peu de flexions alternées pendant l'utilisation. L'interconnexion par conduites d'équipements de production pétrolière en fond de mer représente un exemple d'utilisation statique ou quasistatique de flexibles ou le caractère flexible de la conduite est nécessaire uniquement pour faciliter son transport, son installation et les connexions en fond de mer.
Il existe néanmoins des besoins notamment dans les colonnes montantes et les liaisons fond-de-mer/surface où un tube flexible doit être capable de supporter des flexions alternées durant son utilisation qui peut excéder 15 ans. Il est donc souhaitable d'améliorer la structure tubulaire monolithique décrite dans le brevet EP 871,831 pour lui donner des performances acceptables en fatigue lors de flexions alternées.
EXPOSE DE L'INVENTION
Le but de l'invention est de fournir un tube pour le transport d'un fluide dont la flexibilité, dans le domaine élastique des matériaux le constituant, est grandement amélioré de façon à pouvoir supporter des flexions alternées tout en le soumettant à des fortes pressions.
L'objet de l'invention est donc un tube multistructure destiné à transporter un fluide, utilisé notamment dans les installations pétrolières, comprenant un ensemble de structures tubulaires concentriques à l'axe du tube et des moyens pour contenir le fluide transporté, l'ensemble de structures tubulaires comprenant une première structure creuse et fermée possédant une rangée de fentes sensiblement circonférentielles, chacune des fentes s'étendant sur un arc de plus de 180 et définissant une bande de tension s'étendant en forme d'hélice le long de la première structure tubulaire, et au moins une seconde structure tubulaire possédant également au moins une bande de tension également en forme d'hélice de même sens et de même pas que la bande de tension de la première structure tubulaire, et les bandes de tensions de la première et de la deuxième structure tubulaire étant maintenues à une distance fixe l'une par rapport à l'autre par appui de la deuxième bande de tension sur la première structure tubulaire pour fournir la capacité en traction du tube.
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Selon un premier mode de réalisation de l'invention, le flexible comporte deux structures tubulaires à fentes concentriques et les moyens pour contenir le fluide transporté à l'intérieur sont constitués par une enveloppe étanche placé entre les deux structures tubulaires. Cette enveloppe étanche peut être réalisée par un tube métallique comportant une paroi ondulée placée entre les deux structures tubulaires à fentes.
Selon un deuxième mode de réalisation, l'enveloppe extérieure est constituée d'une bande de tension pouvant être constituée de plusieurs fils sur laquelle une structure tubulaire enroulée à faible pas procure la résistance à l'éclatement du tube flexible.
Enfin selon un troisième mode de réalisation, l'enveloppe extérieure est constitué uniquement d'une bande de tension et les moyens pour contenir le fluide sont placé à l'intérieur de la première structure tubulaire intérieure. Ces moyens d'étanchéité sont obtenus par la présence d'un tube métallique d'épaisseur mince ondulé hélicoidalement pouvant être renforcé pour mieux résister à la pression extérieure par une carcasse en fil profilé hélicoïdal de renfort inséré à l'intérieur des gorges hélicoïdales formées par les ondulations.
DESCRIPTION BREVE DES DESSINS
La figure 1 est une vue en perspective isométrique illustrant une portion de tube flexible construite selon un premier mode de réalisation de l'invention.
La figure 2 est une vue en coupe du tube flexible de la figure 1.
La figure 3 est une vue en perspective isométrique d'un tube flexible selon un deuxième mode de réalisation de l'invention.
La figure 4 est une vue en coupe d'un tube flexible selon un troisième mode de réalisation de l'invention.
La figure 5 est une vue en perspective isométrique illustrant un tube flexible représenté en coupe sur la figure 4
DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION
En se référant à la figure 1, le tube flexible 1 a une première structure tubulaire intérieure tubulaire 3 constitué d'un tube métallique monolithique. La structure tubulaire 3 est cylindrique et comporte une rangée de fentes parallèles 5. Chaque fente 5 a une longueur circonférentielle définie par une première extrémité 5a et une autre extrémité opposée 5b. La longueur s'étend sensiblement sur plus de 180 et
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préférablement entre 200 et 300 . La rangée de fentes 5 définit une bande 7 qui est solide et dépourvue de fentes 5. Cette bande 7 forme une hélice à fort pas et faible angle de l'ordre de 10 à 30 . La largeur de la bande 7 est uniforme et constante le long de la portion centrale de la structure tubulaire 3. La largeur de la bande 7 s'étend sur 25 à 45% de la circonférence alors que la largeur de la rangée de fentes 5 couvre la portion de circonférence restante. Les arches 9 délimitées par les fentes 5 sont de préférence sur des hélices parallèle de sens opposé à l'hélice de la bande 7. Le pas des hélices des arches est faible avec un angle préférablement compris entre 70 et 85 .
Dans la réalisation illustrée, une enveloppe étanche 4 entoure la structure tubulaire intérieure 3. Cette enveloppe 4 peut être réalisée par l'extrusion en continu d'un tube polymère. Une structure tubulaire extérieure tubulaire 2 constituée également d'un tube métallique monolithique est disposée autour de l'enveloppe étanche 4. La structure tubulaire 3 est cylindrique et comporte également une rangée de fentes parallèles 5.
Chaque arche 8 a également une longueur circonférentielle définie par une première extrémité 8a et une autre extrémité opposée 8b. La longueur s'étend également substantiellement sur plus de 180 et préférablement entre 200 et 300 . Les extrémités des arches 8 sont reliées par une bande de tension 6 qui est solide et dépourvue de fentes 5. Cette bande 6 forme une hélice à fort pas parallèle et de même angle que la bande 7. Comme la bande 7, la largeur de la bande 6 est uniforme et constante le long de la structure tubulaire 2. La largeur de la bande 7 couvre également 25 à 45% de la circonférence alors que la largeur de la rangée de fentes 5 couvrira la portion de circonférence restante. Cette largeur peut être différente de la largeur de la structure tubulaire 3 mais de préférence la section de bande 6 mesurée sur une coupe transversale de la structure tubulaire 2 doit être sensiblement égale à la surface de section de bande 7 mesurée sur une coupe transversale à la structure tubulaire 3.
On obtient ainsi un tube flexible 1 capable de prendre des efforts de traction ou compression le long de son axe longitudinal l'par interaction des bandes de tension 6 et 7 entre elles. En effet, sur la Figure 2 on constate que les bandes de tension 7 et 6 qui décrivent des hélices parallèles sont diamétralement opposées de façon à compenser le déséquilibre induit dans de la première structure tubulaire 3 par l'excentration de la bande de tension 7. Lorsque le tube flexible 1 est soumis à une traction, cette interaction est réalisée par contact à travers l'enveloppe étanche 4 de la face intérieure 6a de la bande de tension 6 de la structure tubulaire extérieure 2 sur les arches 9 de la structure
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tubulaire intérieure 3 qui sont reliés à la bande de tension 7 de la structure tubulaire intérieure 3. Lorsque le tube est soumis à une compression, c'est alors la face extérieure 7b de la bande de tension 7 qui rentre en contact avec les arches 8, à travers l'enveloppe étanche 4, qui sont reliées à la bande de tension 7 de la structure tubulaire intérieure 3. On constate ainsi que les bandes de tension 6 et 7 sont libres de se déplacer longitudinalement l'une par rapport à l'autre, ce qui donne sa flexibilité au tube 1 mais sont capables de maintenir une interaction radiale afin d'une part d'éviter un écrasement de la structure tubulaire sous traction simple ou le flambement de celle-ci lorsque le tube flexible est soumis à une compression. Du fait de la disposition de l'enveloppe étanche 4 entre les deux structures tubulaires 2 et 3, cette enveloppe s'appuie sur les arches 8 lorsqu'elle soumise à une pression intérieure de fluide et s'appuie sur les arches 9 lorsqu'elle soumise à une pression extérieure de fluide.
Sur la figure 3, un deuxième mode de réalisation de l'invention est illustré. Ce mode de réalisation est préféré dans le cas où le tube flexible selon l'invention sera soumis à de très forte traction comme dans le cas d'une garniture de Flexoforage. Le tube flexible 10 est constitué par une première structure tubulaire 12 qui comporte une bande de tension 11 et des arches 17 d'hélice de sens opposé et de pas fort et faible comme pour la structure tubulaire 3. L'originalité provient du fait que la bande de tension 11 est épaisse afin de pouvoir supporter une forte traction bien qu'il est d'un diamètre réduit.
Comme dans le premier mode de réalisation, on retrouve une enveloppe étanche 14 qui est de préférence métallique imperméable au fluide et possède une paroi ondulée 18.
Les ondulations 18 sont préférablement hélicoïdales et à ondulations multiples. La structure tubulaire extérieure est sensiblement différente de celle du premier mode de réalisation de l'invention, du fait qu'elle ne comporte pas une structure tubulaire monolithique. En effet celle-ci est constitué d'un ou plusieurs fils métalliques 13 a, b, c ayant une section totale 13 qui sera équilibrée avec la section 11 de la bande de tension de la structure tubulaire interne 12 comme il a été préalablement expliqué. Cette bande de tension 13 est associée à un enroulement de fils rectangulaires 15 enveloppant la structure tubulaire avec une direction d'hélice de même sens que les arches 17 de la structure tubulaire intérieure 12. Ces fils 15 peuvent être soit métalliques soit en fibres de renfort haute performance (verre, aramide, carbone) dans une enveloppe creuse métallique. Ces fils peuvent être relié entre eux et éventuellement à la bande de tension 13 à l'emplacement 16.
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On obtient ainsi une structure tubulaire haute performance facile à réaliser en continu par enroulement et soudure des bords d'une bande d'étanchéité 14 avec un très grand pas sur la structure tubulaire interne 12, puis l'enroulement de ou des bandes de tension 13 avec le même grand pas de même sens que la bande de tension 11 suivi enfin de la mise en place de la nappe de fils 15 résistante en sollicitations circonférentielles à faible pas de sens opposé à la bande de tension 11. Du fait de la disposition de l'enveloppe étanche 14 de nouveau entre les deux structures tubulaires 12 et 13-15, cette enveloppe s'appuie sur l'enroulement des fils 15 lorsqu'elle soumise à une pression intérieure de fluide et s'appuie sur les arches 17 de la structure tubulaire intérieure 12 lorsqu'elle soumise à une pression extérieure de fluide.
Les Figures 4 et 5 illustrent un troisième mode de réalisation de l'invention qui sera préféré économiquement lorsque les sollicitations en pression extérieure ou en compression seront réduites. Néanmoins, on retrouve la première structure tubulaire monolithique 22 avec sa bande de traction unique 21 et ses arches 27. Par contre, l'enveloppe étanche, de préférence en tube mince ondulé 24 est disposée à l'intérieur de la première structure tubulaire 22. Ceci permet d'utiliser les arches 27 pour résister à la pression extérieure et d'éviter de devoir disposer un autre enroulement hélicoïdal structurel pour les reprendre comme dans les deux précédents modes de réalisation. Il est maintenant nécessaire de disposer uniquement d'une ou plusieurs bandes de traction 23 pour équilibrer la tube flexible. Pour éviter le déplacement de la bande de traction 23 lors des glissements, des ergots 28 sont disposés sur les arches 27 de la première structure tubulaire. Une enveloppe extérieure 29 est disposée pour isoler la structure tubulaire de la conduite de l'environnement extérieure.
Pour améliorer la résistance en pression extérieure de l'enveloppe métallique d'épaisseur mince ondulé hélicoidalement 24, un ensemble de fils profilés hélicoïdal 25 de renfort peut être inséré à l'intérieur des gorges hélicoïdales formées par les ondulations.
L'invention présente des améliorations significatives pour la structure tubulaire des tubes flexibles. La première structure tubulaire est monolithique mais ne comporte qu'une seule bande de tension afin de laisser une flexibilité maximale aux arches qui ferme la structure tubulaire autour de cette bande de tension. Cette structure tubulaire étant de ce fait déséquilibré du fait du décalage radial de la bande de tension unique, elle est rééquilibrée par l'enroulement d'un ou plusieurs fils de même pas et même direction
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que la bande de tension de la structure tubulaire monolithique s'appuyant sur les arches directement ou indirectement de la structure tubulaire monolithique pour être capable d'encaisser des efforts de traction substantiels.
Il est également possible de rendre étanche la première structure tubulaire en vulcanisant un élastomère dans les fentes. Dans ce cas les fentes peuvent avoir une forme non rectiligne pour augmenter la surface de contact et donc la largeur de cisaillement sur l'élastomère.
On peut également former la première structure tubulaire à partir de la soudure en spirale d'une bande épaisse comportant des fentes de longueur inférieure à la largeur de la bande disposées sensiblement perpendiculairement à la direction de la bande. Dans ce cas il est avantageux de réaliser l'étanchéité en soudant sur les deux bords, une bande en feuille mince comportant des plis de longueur inférieure à la largeur de la bande couvrant l'emplacement des fentes, sur la bande épaisse. Enfin on peut concevoir de réaliser la première structure tubulaire en soudant en spirale une bande unique sur lequel on a former par estampage des plis directement dans la bande épaisse en repoussant la matière le long de lignes sensiblement perpendiculaires à la direction de la bande mais sans traverser la bande.
Alors que cette invention a été illustrée par les trois de ses modes de réalisation, il apparaîtra à l'homme de l'art qu'elle n'est pas ainsi limitée, mais est susceptible de variations restant dans l'étendue de la protection conférée par les revendications.

Claims (14)

  1. REVENDICATIONS 1. Tube multistructure de grande flexibilité (1,10 ou 20) destiné à transporter un fluide, utilisé notamment dans les installations pétrolières, comprenant un ensemble de structures tubulaires concentriques à l'axe du tube et des moyens pour contenir le fluide transporté, ledit ensemble de structures tubulaires comprenant une première structure tubulaire (3,12 ou 22) creuse et fermée possédant une rangée de fentes (5) sensiblement circonférentielles, chacune desdites fentes s'étendant sur un arc de plus de 180 et définissant une bande de tension (7, 11 ou 21) s'étendant en forme d'hélice le long de ladite première structure tubulaire, et au moins une seconde structure tubulaire (2,13- 15 ou 23) possédant également au moins une bande de tension (6,13 ou 23) également en forme d'hélice de même sens et de même pas que la dite bande de tension (7, 11 ou 21) de la première structure tubulaire, et lesdites bandes de tensions (7-6,11-13 ou 21- 23) de la première et de la deuxième structure tubulaire étant maintenues à une distance fixe l'une par rapport à l'autre par appui de la deuxième bande de tension (6,13 ou 23) sur la première structure tubulaire (3,12 ou 22) pour fournir la capacité en traction du tube.
  2. 2. Tube multistructure de grande flexibilité (1,10 ou 20) selon la revendication 1 dans lequel ladite première structure tubulaire (2,12 ou 22) est placé à l'intérieur dudit tube.
  3. 3. Tube multistructure de grande flexibilité (1,10 ou 20) selon la revendication 1 dans lesquels lesdites fentes (5) se trouvent sur une hélice de sens opposé à celle de la dite bande de tension (7, 11 ou 21) de la première structure tubulaire et de plus faible pas.
  4. 4. Tube multistructure de grande flexibilité (1,10 ou 20) selon la revendication 1 dans lequel les moyens de contenir le fluide transporté, sont constitués par un tube imperméable (4,14 ou 24).
  5. 5. Tube multistructure de grande flexibilité (10, ) selon la revendication 1 dans lequel les moyens de contenir le fluide transporté, sont constitués par une bande, comportant des plis de longueurs sensiblement égales aux fentes (5), soudée sur ses deux bords à ladite bande de tension (11) de la première structure tubulaire.
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  6. 6. Tube multistructure de grande flexibilité (10 ou 20) selon la revendication 4 dans lequel le tube (14 ou 24) comprend un conduit cylindrique possédant des ondulations (17) pour améliorer sa flexibilité.
  7. 7. Tube multistructure de grande flexibilité (1 ou 10) selon la revendication 4 dans lequel ledit tube imperméable est placé à l'extérieur de la première structure tubulaire (2,12 ou 22).
  8. 8. Tube multistructure de grande flexibilité (1) selon la revendication 1 dans lequel ladite deuxième structure tubulaire (2) est creuse et fermée.
  9. 9. Tube multistructure de grande flexibilité (10) selon la revendication 2 dans lequel ladite deuxième structure tubulaire (13-15) comporte un enroulement (15) de fils à faible pas de sens opposé à la bande de tension (13).
  10. 10. Tube multistructure de grande flexibilité (20) selon la revendication 4 dans lequel le tube imperméable est placé à l'intérieur de la première structure tubulaire (22).
  11. 11. Tube multistructure de grande flexibilité (20) selon la revendication 5 dans lequel des renfort de fils profilés hélicoïdal (25) sont placés à l'intérieur des gorges hélicoïdal formé par lesdites ondulations.
  12. 12. Tube multistructure de grande flexibilité selon la revendication 1 dans lequel ladite première structure tubulaire est formée par soudure hélicoïdal d'une bande comportant des fentes de longueur inférieure à la largeur de la bande disposées sensiblement perpendiculairement à la direction de la bande.
  13. 13. Tube multistructure de grande flexibilité selon la revendication 11 dans lequel une bande de tôle mince est soudé sur ses deux bords à ladite bande formant la première structure tubulaire, ladite tôle mince comportant des plis de longueur inférieur à la largeur de la bande qui couvrent les fentes donnant une première structure tubulaire étanche.
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  14. 14. Tube multistructure de grande flexibilité selon la revendication 11 dans lequel lesdites fentes ne débouchent pas et sont formées par repoussage de matière, donnant une première structure tubulaire étanche.
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