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ELEMENTS ALLONGES RENFORCES TELS QUE DES TUBES, PROCEDE ET APPAREIL POUR LEUR
FABRICATION ET UTILISATION DE CES ELEMENTS ALLONGES
L'invention concerne le domaine technique de fabrication
d'éléments allongés, tels que des tubes, par exemples tubes off-shore.
Jusqu'à présent, il a été réalisé la fabrication de tubes en acier
très lourds qui ont des problèmes de corrosion en milieu marin, et qui sont
également difficiles à souder.
On connaît aussi par le document FR-A-2.031.719 (Société du
Verre Textile) déposé le 5 février 1969, un procédé et un dispositif pour
l'obtention de produits composés de fibres agglomérées par des résines
synthétiques, en particulier, des résines thermoplastiques.
Le procédé et le dispositif décrits dans ce document permettent
de préparer directement des profilés pleins ou tubulaires quelles que
soient leur section.
BUTS DE L'INVENTION
Le nouveau problème technique à résoudre est de pouvoir
fabriquer des tubes de très grande longueur, en général limités
uniquement par les dimensions de l'usine ou éventuellement du transport.
Concernant l'invention, il est possible de fabriquer des tubes
d'une longueur supérieure à 30 mètres et pouvant aller jusqu'à 100
mètres voire plus.
L'invention n'est pas limitée à la fabrication de tubes de section
circulaire mais peut être utilisée pour fabriquer d'autres profilés tels que
des profilés de section plate ou carrée, des mats de bateau, des pales
d'éolienne.
L'invention permet encore de fabriquer des tubes de manière
affranchie de la géométrie de la section du tube. Cette géométrie peut
être d'une forme quelconque.
Un autre problème technique que l'invention vise à résoudre est
la fabrication de tube à l'aide de résine thermoplastique et non pas
thermodurcissable.
L'invention vise ainsi à remplacer les tubes en acier très lourds
qui ont des problèmes de corrosion et également difficiles à souder.
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Dans la structure off-shore de type métallique, au-delà d'une
certaine longueur comme par exemple 1500 m de profondeur, le poids est
tellement important que ces structures ne résistent pas à leur propre poids.
L'invention permet aussi de résoudre ce problème.
Selon un premier aspect, la présente invention couvre, à titre de
produit nouveau, un élément allongé renforcé, comprenant une âme de
forme allongée, recouverte d'au moins une couche à matériau composite
comprenant au moins un ruban enroulé autour de ladite âme, chaque ruban
étant réalisé à l'aide de fils ou de fibres de renforcement, par exemple des
fils
ou fibres de verre ou de carbone, noyés dans une matrice en résine
thermoplastique, tel qu'obtenu par le procédé ou par l'appareil. Ces fils ou
fibres de renforcement sont de préférence continus. Ainsi, les fils ou fibres
sont avantageusement de grande longueur en général correspondant
sensiblement à la longueur des rubans.
Dans le cadre de l'invention, la résine thermoplastique elle-même
est disponible dans le commerce, sous forme de granulés. Egalement , en ce
qui concerne la fabrication du ruban utilisé selon l'invention, on peut
utiliser le
procédé et l'appareil tels que décrits dans le document FR-A-2.031.719 cité
ci-dessus. Naturellement, d'autres techniques. de fabrication de ruban de ce
type peuvent être utilisées.
Concernant l'utilisation de résine thermoplastique, la résistance
mécanique est beaucoup plus élevée notamment à la résistance aux chocs,
par rapport à l'utilisation de résine thermodurcissable.
L'utilisation de résine thermoplastique permet aussi une plus
grande facilité de réalisation des tubes.
Comme l'invention fabrique des éléments allongés , tels que des
tubes ou éléments tubulaires, avec une résine thermoplastique, leur
utilisation doit être limitée dans des lieux où la température ne doit pas
excéder 100 C, c'est à dire soit dans le sol, soit en mer où une application
intéressante est en off-shore notamment pour les installations pétrolières.
Dans le cas de la réalisation de tubes qui peuvent atteindre une
longueur de 100 m, ceux-ci sont ensuite connectés entre eux par
des dispositifs connecteurs qui peuvent eux être métalliques de
manière à assurer une étanchéité parfaite, des dispositifs de ce type étant
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disponibles dans le commerce notamment auprès de la société Freyssinet
International domiciliée en France.
Selon une variante de réalisation, l'âme de forme allongée
précitée est réalisée en un métal ou un alliage de métal, notamment en
acier, de préférence inoxydable.
Selon une autre variante de réalisation, l'âme est réalisée en un
matériau thermoplastique, en particulier nylon , de préférence de
même nature que la résine thermoplastique servant à réaliser la matrice
du ruban.
Selon encore une autre variante de réalisation, la résine
thermoplastique comprend ou est constituée de polyamide 11 ou de
polyamide 12.
Selon encore un mode de réalisation avantageux de l'invention,
l'âme précitée présente une forme essentiellement convexe.
Selon un mode de réalisation actuellement préféré, l'âme de
forme allongée présente principalement ou essentiellement une forme
tubulaire creuse de type tube.
Selon un mode de réalisation avantageux de l'invention, les
rubans sont enroulés autour de l'âme selon un angle prédéterminé par
rapport à l'axe longitudinal de l'élément allongé, selon la résistance
mécanique souhaitée pour l'application envisagée.
Par exemple, cet angle sera compris entre 20 et 70 . Pour des
applications "type off-shore", l'angle envisagé est actuellement compris
entre 30 et 60 .
Pour des applications de type "pale d'éolienne", l'angle envisagé
est actuellement compris entre 20 et 70 .
Selon un mode de réalisation avantageux, on peut prévoir au
moins une et de préférence plusieurs couches d'un matériau composite de
même nature ou de nature différente, notamment de rubans différents ou
disposés selon des angles d'enroulement différents.
Selon encore un autre mode de réalisation en particulier, on
peut prévoir au moins une couche réalisée en un matériau composite
comprenant une résine thermoplastique et utilisant comme renfort des
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fibres de verre, lesdites fibres de verre pouvant être enroulées selon des
angles d'enroulement pré-déterminés autour de la couche précédente.
Selon encore un autre mode de réalisation avantageux, on
prévoit que la couche la plus externe sur l'élément allongé est réalisée en
matériau composite comprenant une pluralité de rubans également
enroulés autour de la couche précédente, lesdits rubans comprenant une
matrice en résine thermoplastique et une matière de renfort sous forme
de fils ou de fibres, de verre ou de carbone.
Grâce à l'invention, il n'est plus nécessaire d'avoir une couche
de protection des éléments allongés, la couche en matériau composite
thermoplastique constituant elle-même une couche de protection grâce à
sa résistance mécanique, notamment à sa résistance aux chocs.
On observera que, dans les essais de résistance aux chocs, pour
des résines thermodurcissables du type "epoxy", l'énergie nécessaire pour
aboutir à une rupture est en général 5 fois plus faible que celle qui est
nécessaire pour obtenir une rupture dans le cadre des résines
thermoplastiques. Ce qui démontre l'intérêt de pouvoir réaliser des
éléments allongés avec des résines thermoplastiques comme dans le cas
de la présente invention.
Selon un deuxième aspect, la présente invention concerne
également un procédé de fabrication d'éléments allongés renforcés
caractérisé en ce qu'il comprend :
a. La prévision d'un élément de support d'une âme de forme
allongée, comportant des moyens permettant de réaliser un mouvement
de translation de ladite âme de forme allongée ;
b. La prévision d'au moins une cassette d'au moins un ruban
réalisé en matériau composite comprenant une matrice en résine
thermoplastique dans laquelle sont noyés des fils ou fibres de
renforcement,
c. La prévision de moyens de mise en rotation de chaque
cassette.
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d. La prévision de moyens de réglage de l'angle d'enroulement de
chaque ruban autour de ladite âme,
e. La prévision de moyens de synchronisation des moyens de
déplacement en translation de l'âme de forme allongée et des moyens de mise
5 en rotation d'au moins une cassette de stockage de ruban,
f. La prévision de moyens de commande, de manière synchronisée,
des moyens de synchronisation des moyens de déplacement en translation de
l'âme de forme allongée et des moyens de mise en rotation d'au moins une
cassette de stockage de ruban ; ces moyens de commande étant prévus pour
réaliser l'enroulement d'au moins un ruban, avec au moins un passage en
translation de ladite âme pour former au moins la dite couche ;
g. La prévision d'au moins un dispositif de chauffage, commandé par
lesdits moyens de commande, pour réaliser le chauffage de la résine
thermoplastique à une température supérieure à la température de fusion de la
résine thermoplastique pendant une période de temps suffisante pour réaliser
la
fusion complète de la résine thermoplastique et le collage de la couche en
matière composite sur ladite âme ou sur une couche précédente.
h. On réalise, de manière synchronisée, le déplacement en
translation de l'âme de forme allongée avec l'enroulement synchronisé selon un
angle prédéterminé d'au moins un ruban par la mise en rotation d'au moins une
cassette de stockage du ruban.
i. On réalise la formation d'au moins une couche par le déroulement
d'au moins un ruban, avec au moins un passage en translation de ladite âme
pour former au moins ladite couche.
j. On réalise le chauffage de la résine thermoplastique à une
température supérieure à la température de fusion de la résine thermoplastique
pendant une période de temps suffisante pour réaliser la fusion complète de la
résine thermoplastique et le collage de la couche en matière composite sur
ladite
âme ou sur une couche précédente ; puis on refroidit ou on laisse refroidir,
après ledit chauffage, en obtenant ainsi l'élément allongé renforcé.
Eventuellement, on peut recommencer l'opération pour déposer une
couche supplémentaire ou une pluralité de couches avec des rubans de nature
différente.
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Avantageusement, on prévoit des moyens de réglage de l'angle de
déroulement de chaque ruban autour de ladite âme.
Selon un mode avantageux de procédé de l'invention, on prévoit
plusieurs dispositifs successifs de supports de cassette desdits rubans, afin
de
réaliser en un seul mouvement de translation de l'âme ou de l'élément de forme
allongée, le dépôt de plusieurs couches en matériau composite.
Selon un mode avantageux de réalisation de l'invention, on réalise
l'enroulement de chaque ruban avec une tension prédéterminée, par exemple
une force de traction d'environ un décanewton (un kilo) par ruban de manière à
ce que, lorsque la résine thermoplastique est en fusion, il se réalise un auto-
effet
de déplacement vers le centre donc vers l'âme des fils ou fibres noyés dans la
résine de chaque ruban, par un effet de tension interne, d'où un effet de
placage
sur l'âme ou la couche précédente.
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Selon l'invention, le dispositif de chauffage de la résine
thermoplastique est orienté de façon à éviter un chauffage de l'âme ou de
la couche précédente, afin de ne pas la dégrader.
Selon un mode de réalisation avantageux de l'invention, le
chauffage est réalisé à l'aide de buses diffusant un air chaud à une
température au minimum supérieure à la température de fusion de la
résine thermoplastique utilisée.
L'invention permet donc d'utiliser uniquement de l'air chaud par
nature moins agressif vis à vis de la matrice qu'une flamme utilisée dans la
technique antérieure.
Selon un mode de réalisation avantageux de l'invention, on
utilise un élément allongé de forme tubulaire de section quelconque
polygonale ou circulaire, avantageusement creux de manière à former des
tubes ou canalisations pour le transport de matériau, en particulier de
fluide, notamment du pétrole ou du gaz liquide ou non.
L'invention n'est pas limitée par une forme particulière de
l'élément allongé car, grâce à l'emploi de rubans, ceux-ci épousent toute
forme géométrique. L'invention est cependant avantageusement utilisée
pour renforcer des âmes de forme essentiellement convexes, c'est à dire
ne comportant pas de creux sur leur surface externe, creux sur lesquels il
est extrêmement difficile d'appliquer lesdits rubans.
Selon un troisième aspect, la présente invention couvre aussi un
appareil de fabrication d'éléments allongés renforcés caractérisé en ce
qu'il comprend :
a. un élément de support d'une âme de forme allongée,
comportant des moyens de déplacement en translation de l'âme de forme
allongée;
b. au moins une cassette de stockage de ruban réalisé en
matériau composite comprenant une matrice en résine thermoplastique
dans laquelle sont noyés des fils ou fibres de renforcement,
c. des moyens de mise en rotation de chaque cassette,
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d. des moyens de réglage de l'angle d'enroulement de chaque
ruban autour de ladite âme,
e. des moyens de synchronisation des moyens de déplacement en
translation de l'âme de forme allongée et des moyens de mise en rotation
d'au moins une cassette de ruban.
f. au moins un dispositif de chauffage pour réaliser un chauffage
de la résine thermoplastique à une température supérieure à la température
de fusion de la résine thermoplastique pendant une période de temps
suffisante pour réaliser la fusion complète de la résine thermoplastique et le
collage de la couche en matière composite sur ladite âme ou sur une couche
précédente.
g. des moyens de commande, de manière synchronisée, des
moyens de synchronisation des moyens de déplacement en translation de
l'âme de forme allongée et des moyens de mise en rotation [de chaque] d'au
moins une cassette de stockage de ruban ; ces moyens de commande étant
prévus [soit] pour réaliser l'enroulement d'au moins un ruban, avec au moins
un passage[s] en translation de ladite âme pour [réaliser un enroulement
dudit ruban former au moins la dite couche ;
h. Lesdits moyens de commande sont prévus pour commander
chaque dispositif de chauffage pour réaliser un chauffage de la résine
thermoplastique à une température supérieure à une température de fusion
de la résine thermoplastique pendant une période de temps suffisante pour
réaliser la fusion complète de la résine thermoplastique et le collage d'une
couche en matière composite sur ladite âme ou sur une couche précédente.
Dans le cas de l'appareil de l'invention, pour accélérer le
refroidissement de l'élément allongé renforcé obtenu, il peut être prévu des
moyens de refroidissement en aval du ou des dispositif(s) de chauffage.
Sur une variante de réalisation de l'appareil de l'invention,
l'appareil peut être prévu pour permettre de recommencer l'opération pour
déposer une couche supplémentaire ou une pluralité de couches avec des
rubans de nature différente. Dans ce cadre, il peut être prévu au moins un
deuxième ensemble d'au moins une cassette et avantageusement de
plusieurs cassettes de stockage de rubans soit de nature identique, soit de
nature différente.
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Ainsi, selon un mode avantageux de l'appareil de l'invention, on
prévoit plusieurs dispositifs successifs de support de cassettes desdits
rubans, afin de réaliser en un seul mouvement de translation d'un élément
de forme allongée et le dépôt de plusieurs couches en matériaux
composites.
Selon un autre mode de réalisation avantageux de l'appareil
selon l'invention, on peut prévoir des moyens de réglage de tension à une
valeur prédéterminée de l'enroulement de chaque ruban, par exemple en
prévoyant que ces moyens de réglage de tension permettent d'effectuer
un réglage et une force de traction d'environ un décanewton (un kilo) par
ruban, de manière à ce que, lorsque la résine thermoplastique est en
fusion, il se réalise un auto-effet de déplacement vers le centre donc vers
l'âme des fils aux fibres noyées dans la résine de chaque ruban, par un
effet de tension interne, d'où un effet de placage sur l'âme ou la couche
précédente.
Selon un mode de réalisation avantageux de l'invention, le
dispositif de chauffage de la résine thermoplastique est orienté de façon à
éviter un chauffage de l'âme ou de la couche précédente, afin de ne pas la
dégrader.
Selon encore un autre mode de réalisation avantageux de
l'appareil selon l'invention, on peut prévoir que le dispositif de chauffage
comprend des buses diffusant un air chaud à une température au
minimum supérieure à la température de fusion de la résine
thermoplastique utilisée.
Selon un quatrième aspect, la présente invention couvre encore
l'utilisation des éléments allongés renforcés précités, en particulier
obtenus par le procédé selon l'invention ou l'appareil de fabrication de
l'invention, pour la fabrication de canalisations enterrées dans le sol ou
utilisées en off-shore en particulier sur les fonds marins.
On comprend ainsi que l'invention permet bien de résoudre les
problèmes techniques précédemment énoncés et, par conséquent, une
solution nouvelle et non évidente pour un homme de l'art.
D'autres buts, caractéristiques et avantages de l'invention
apparaîtront clairement à la lumière de la description explicative qui va
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suivre faite en référence à un mode de réalisation actuellement préféré
d'un appareil selon l'invention, et permettant de mettre en oeuvre le
procédé selon l'invention précédemment décrit, donné simplement à titre
d'illustration et qui ne saurait donc, en aucune façon, limiter la portée de
l'invention.
L'appareil selon l'invention est représenté dans les figures
annexées , et fait partie intégrante de l'invention et de ce fait toute
caractéristique de cet appareil qui apparaîtra nouvelle par rapport à un
état de la technique quelconque, est revendiquée en tant que moyen
général et dans sa fonction, ainsi que ses équivalents techniques.
Dans les exemples, les températures sont données en degrés
celsius, la pression est la pression atmosphérique; l'atmosphère est l'air,
sauf indication contraire.
La figure 1 représente une vue générale simplifiée, latérale, d'un
premier mode de réalisation d'un appareil selon l'invention, donné à titre
d'illustration ;
La figure 2 représente une vue agrandie d'une partie de
l'appareil réalisé selon l'invention et configurant les moyens de mise en
rotation, par exemple sous la forme d'une roue ou plateau, servant de
support aux cassettes comportant les rubans ;
La figure 3 représente une vue agrandie d'une partie de
l'appareil réalisé selon l'invention avec le détail de l'opération de dépose
des rubans contenus dans les cassettes ;
La figure 4 représente le détail d'une cassette montrant
clairement le stockage du ruban enroulé sur celle-ci et son dévidage ;
La figure 5 représente le détail d'un élément de forme allongée
renforcée obtenue selon l'invention avec une couche formée d'une
pluralité de rubans 32 ; et
La figure 6 représente une vue de détail de construction d'un
ruban formé par la combinaison d'une matrice en matière thermoplastique
et des fils ou fibres de renforcement, par exemple de fils ou de fibres de
verre ou de carbone, selon le repère VI indiqué sur la figure 6.
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En référence aux figures 1 à 6, un appareil selon l'invention est
représenté par numéro de référence générale 10, et est caractérisé en ce
qu'il comprend :
a. La prévision d'un élément de support 20 d'une âme 22 de
5 forme allongée, comportant des moyens permettant de réaliser un
mouvement de translation T de ladite âme de forme allongée, ces moyens
de translation sont bien connus de l'homme de l'art et ne sont donc pas
représentés ici ;
b. La prévision d'au moins une cassette 30, et avantageusement
10 plusieurs (ici 12) cassettes 30 de stockage de rubans 32 réalisés en
matériau composite comprenant une matrice (34) en résine
thermoplastique dans laquelle sont noyés des fils ou fibres de
renforcement (35), par exemple des fils ou fibres de verre ou de carbone ;
c. La prévision de moyens 36 de mise en rotation de chaque
cassette 30, ces moyens 36 de mise en rotation comprenant par exemple
un axe de rotation 37, autour duquel les cassettes 30 sont en rotation
libre. Dans le mode de réalisation actuellement préféré représenté à la
figure 1, les axes de rotation 37 sont eux-mêmes supportés par un plateau
38, mis en rotation par des moyens de mise en rotation classiques bien
connus de l'homme de l'art . L'ensemble de ces éléments constitue les
moyens 36 de mise en rotation de chaque cassette 30 ;
d. La prévision de moyens de synchronisation (61), classiques
bien connus de l'homme de l'art et schématisés ici pour simplifier la figure,
des moyens 20 de déplacement en translation de l'âme 22 de forme
allongée et des moyens 36 de mise en rotation de chaque cassette 30 de
ruban 32, par la présence de deux liaisons 62 et 64, respectivement.
e. La prévision d'au moins un dispositif 50 de chauffage à une
température supérieure à la température de fusion de la résine
thermoplastique 34 pendant une période de temps suffisante pour réaliser
la fusion complète de la résine thermoplastique et le collage de la couche
33 en matière composite sur ladite âme 22 ou sur la couche précédente.
f. La prévision de moyens de commande 60, de manière
synchronisée, par une liaison 68, des moyens de synchronisation 61, des
moyens de déplacement en translation 20 de l'âme 22 de forme allongée
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et des moyens 36 de mise en rotation de chaque cassette 30 de ruban
32 ;
Ces moyens de commande 60 sont prévus :
- soit pour réaliser le déroulement d'un nombre de rubans 32
suffisants pour former au moins une couche 33 en matériau composite
comprenant une pluralité de rubans enroulés autour de l'âme 22 de forme
allongée (comme représenté à la figure 1 et de manière encore plus
visible aux figures 2 et 3),
- soit pour réaliser plusieurs passages en translation de ladite âme
pour réaliser un enroulement desdits rubans, de manière équivalente et
comme cela est bien compréhensible pour un homme de l'art.
g. Les moyens de commande 60 sont aussi prévus pour
commander par une liaison 66 chaque dispositif de chauffage 50 à une
température supérieure à une température de fusion de la résine
thermoplastique 34 pendant une période de temps suffisante pour réaliser
la fusion complète de la résine thermoplastique 34 et les collages d'une
couche 33 en matière composite sur ladite âme 22 ou sur la couche
précédente.
Dans le cadre de l'invention, pour accélérer le refroidissement de
l'élément allongé renforcé obtenu, il peut être prévu des moyens de
refroidissement 70 en aval du ou des dispositif de chauffage 50, comme
cela est bien compréhensible pour un homme de l'art. Les moyens de
commande 60 sont aussi avantageusement prévus pour commander les
moyens de refroidissement 70 par une liaison appropriée 72.
Selon une variante avantageuse de réalisation d'un appareil de
l'invention, l'appareil 10 peut être prévu pour permettre de recommencer
l'opération pour déposer une couche supplémentaire ou une pluralité de
couches avec des rubans 32 de nature différente. Dans ce cadre, il peut
être prévu au moins un deuxième ensemble 38 d'au moins une cassette
30 et avantageusement de plusieurs cassettes 30 de stockage de rubans
32 soit de nature identique, soit de nature différente.
Ainsi, on comprendra aisément que selon un mode avantageux de
l'appareil de l'invention, on prévoit plusieurs dispositifs 38 ou plateaux
successifs de support de cassette(s) 30 de stockage des rubans 32, afin
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de réaliser en un seul mouvement de translation un élément 12 de forme
allongée et les dépôts de plusieurs couches en matériau composite soit de
nature identique, soit de nature différente.
Selon encore notre mode de réalisation avantageux de l'appareil
selon l'invention, on peut prévoir des moyens de réglage de tension, tels
que 80,82, à une valeur prédéterminée de tension de l'enroulement de
chaque ruban 32, par exemple en prévoyant que ces moyens de réglage
de tension 80,82 permettent d'effectuer un réglage à une force de traction
d'environ un décanewton (un kilo) par ruban 32, de manière à ce que,
lorsque la résine thermoplastique 34 est en fusion, il se réalise un auto-
effet de déplacement vers le centre donc vers l'âme des fils ou fibres
noyé(e)s dans la résine de chaque ruban 32, par un effet de tension
interne, d'où un effet de placage sur l'âme ou la couche précédente. Le
plateau 38 peut aussi comprendre une partie tronconique 46 supportant
les moyens 82, ainsi qu'un élément formant disque 48 supportant des
moyens 40 de guidage des rubans 32, comprenant par exemple des tiges
42 et des tétons 44 (voir figure 3).
Selon encore notre mode de réalisation avantageux de l'invention,
chaque dispositif de chauffage 50 de la résine thermoplastique 34 est
orientés de façon à éviter un chauffage de l'âme ou de la couche
précédente, afin de ne pas la dégrader.
Selon encore notre mode de réalisation avantageux de l'appareil
selon l'invention, on peut prévoir que chaque dispositif de chauffage 50
comprend des buses 52 diffusant un air chaud à une température
minimum supérieure à la température de fusion de la résine
thermoplastique 34 utilisée. Ces buses 52 peuvent être naturellement
réalisées de manière orientable pour être disposées selon un angle
d'orientation appropriée pour diffuser l'air chaud dans les meilleures
conditions de chauffage.
Diverses variantes de réalisation de l'élément allongé 12 et
notamment de l'âme 22 ou des rubans 32 sont décrites dans la partie
introductive de la description.
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On comprend bien ainsi que l'invention permet de résoudre les
problèmes techniques précédemment énoncés et que par conséquent elle
présente une solution nouvelle et non évidente pour un homme de l'art.
L'invention, telle qu'elle vient d'être décrite pour l'appareil, permet bien
de mettre en oeuvre le procédé de fabrication de l'élément allongé 12
renforcé par au moins une couche 33, précédemment décrit à la partie
introductive de la présente description.
Comme précédemment énoncé, l'invention couvre aussi tous les
moyens constituant des équivalents techniques des moyens décrits et
représentés dans les figures annexées qui font partie intégrante de
l'invention.
