Note : Les descriptions sont présentées dans la langue officielle dans laquelle elles ont été soumises.
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METHODE ET DISPOSITIF POUR FABRIQUER UNE PIECE EN
MATERIAU COMPOSITE AVEC UNE COQUE DE PROTECTION
La présente invention concerne un dispositif et une méthode permettant
d'assurer l'intégrité dimensionnelle d'une pièce en matériau composite
pendant la phase de polymérisation et/ou de réticulation, et/ou de la mise
oeuvre des matrices organiques constituant avec les fibres de renfort la
partie
rigide du composite. Par pièce, dans le sens de l'invention, on doit
comprendre
un tube, une canalisation, un réservoir ou tout autre élément qui permet de
stocker ou de véhiculer des liquides pouvant contenir des solides en
suspension, des gaz, des boues ou un mélange de tous ces éléments. La pièce
peut être constituée de différentes couches superposées de natures
différentes.
Dans le cas d'une résine organique thermodurcissable comme matrice
du composite, la présente invention propose une amélioration de la mise en
oeuvre des résines, dites au stade B, constituant la matrice organique du
composite, sans déformation ni essorage des éléments de renforts imprégnés,
ou pré-imprégnés, durant l'étape de polymérisation totale par chauffage dans
un four, ou tout autre dispositif de réticulation équivalent. On peut citer
par
exemple source d'LTV, d'IR, ou de micro ondes.
On entend par stade B, l'état d'avancement physique ou chimique d'une
résine thermodurcissable n'ayant pas encore atteint le point de gel, ni sa
phase
de polymérisation. Le stade B défini le temps idéal d'utilisation de la résine
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permettant toutes les phases de préparation d'un composite et ceci avant
d'atteindre une trop forte viscosité dynamique et un taux d'avancement de la
réaction (réticulation) trop élevé.
La présente invention propose également pour une matrice organique
thermoplastique l'amélioration de la mise en oeuvre durant l'élaboration d'un
composite dans Ie cas ou Ia matrice se trouve dans un état de viscosité tel
qu'un phénomène d'écoulement est possible.
Un procédé d'enroulement filamentaire en continu nécessite
généralement un mandrin sur lequel sont enroulés les éléments de renfort
imprégnés d'une matrice. Les filaments (verre, carbone, aramide, ....) sont
imprégnés de résines thermodurcissables ou de polymères thermoplastiques
par voie sèche ou par voie humide, puis enroulés sur le mandrin avant l'étape
ultérieure de polymérisation de la résine, ou de fusion locale du
thermoplastique.
Comme mandrin, on peut utiliser un tube métallique ou en polymère
extrudé en continu en amont de la chaîne de fabrication et conservé dans l'âme
du produit composite. On peut utiliser également un tube constitué d'une
couche de fibre de renfort imprégnée ou enrobée d'au moins une matrice
organique thermoplastique, d'au moins une matrice thermodurcissable, ou
d'un mélange des deux types de matrice. On peut aussi utiliser un mandrin
sous la forme d'un ruban sans fin enroulé en spirale sur un support tournant
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mais immobile en translation, qui supporte et entraîne les fibres enrobées
jusqu'à la fin de leur polymérisation et retourne au point de départ.
Dans le cas où le tube fabriqué en continu par enroulement filamentaire,
par exemple d'un diamètre égal ou supérieur à 10 pouces (25,4 mm), est
destiné à stocker, ou à véhiculer, pendant un temps de l'ordre d'une vingtaine
d'années sans subir de détérioration, des fluides tels que du pétrole et ses
composants, des gaz, de l'eau, de Peau fortement chargée en sels solubles ou
insolubles, des fluides de complétion ou encore des boues à des températures
(tous ces fluides pouvant contenir du gaz) comprises entre 4 et 200°C,
on
utilisera plus particulièrement le procédé de « pull winding » où le mandrin
(liner ou chemisage), fixe en rotation, mais se déplaçant longitudinalement
est
constitué d'un polymère thermoplastique, d'un polymère thermodurcissable,
d'un mélange de polymère renforcé par des fibres, ou d'un métal, et dans une
application plus particulière d'au moins un polymère choisi dans le groupe des
polymères thermoplastiques (tel que par exemple les PE, les PP, les PA, le
PVDF, le PEEK), et un système constituê de fibres et de résines
d'imprégnation capables de ne pas subir de dégradation dans les conditions de
l'utilisation. En effet ce procédé nécessite de pré-imprégner les fibres de
renfort
par une opération spécifique effectuée par les procédés d'imprégnation
classique puis d'enrouler (ensemble sur des bobines qui seront installées
ensuite sur un ou plusieurs carrousels afin d'effectuer l'opération
d'enroulement filamentaire.
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Les conditions d'utilisation de la structure composite multicouche finale
dans le cas plus particulier d'un tube « riser » en composite d'une plate-
forme
de production du type TLP (tension leg platform) peuvent êtres résumées de la
manière suivante
Durée de vie : environ 20 ans
Température du fluide : comprise entre 4 et 100°C
Température du composite : comprise entre 4 et 90°C
Résistance chimique élevée de la matrice organique constituant le
composite
- à l'hydrolyse
- au gonflement par de l'eau
- au gonflement par le pétrole et ses constituants
- au gonflement par les gaz de gisement
- aux produits de réfection des conduites
Résistance chimique élevée du liner, chemisage constituant le mandrin
lors de (élaboration
- au pétrole (et aux gaz)
- à l'eau (acide et basique)
- à l'eau chargée en sels solubles et insolubles.
- boues et fluides de complétion
Les différentes contraintes de fonctionnement de la structure composite
multicouche finale imposent au concepteur d'utiliser des matrices organiques
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très stables. Dans une forme plus particulière de l'invention, les résines
peuvent être de la famille des époxydes dont certaines sont décrites dans le
document FR-2753978. Leur comportement a fait l'objet d'une étude poussée
dans le temps et en milieu pétrolier.
5 Ces résines qui présentent d'excellentes caractéristiques ont la
particularité d'être peu réactives à température modérée. Le temps de
"processabilité" ou de latence au stade B est un point important dans la
conception du procédé. En effet, la fabrication en continu nécessite une
qualité
de fibres pré-imprégnées constante dans le temps. Le fait d'utiliser des
bobines
pré-imprégnées dont la teneur en résine aura été contrôlée sera préférée. Ce
type de résine pourra donc être utilisée puisque capable de rester sans
évolution notable de viscosité pendant une période égale ou supérieure à 1
jour, habituellement environ 10 jours à environ 2 mois et ceci pour une
température moyenne de stockage égale ou inférieure à 25 °C,
habituellement
d'environ 0°C à environ 15°C et le plus souvent d'environ
0°C à environ 5°C.
Un autre aspect important concerne l'évolution de la viscosité de la résine
durant la phase de polymérisation du composite multicouche obtenu par
enroulement filamentaire. Cette évolution peut être décrite comme suit. Au fur
et à mesure de la progression du tube dans le four, on observe une diminution
de la viscosité de la résine durant sa mise en température. Cette
fluidification
se traduit obligatoirement par un égouttage et un essorage par gravité puisque
le mandrin du tube n'effectue aucune rotation. De ce fait, la distribution de
la
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matière organique dans les fibres risque de ne pas être homogène. Cette résine
va graduellement atteindre un état pâteux et ceci sur une certaine longueur de
four. La structure peut être déformée et ovalisée. Le produit étant
partiellement polymérisé donc rnou, il n'est pas possible de le tirer ou de le
pousser par des moyens du type chenilles (patins, galets, rouleaux ou
étireuse)
sans nuire à l'intégrité de sa structure.
Pour éviter ce genre de problèmes, on peut ajouter à la résine des
contrôleurs d'écoulement qui vont modifier la rhéologie du système. On peut
aussi augmenter la longueur du four afin d'atteindre la température de cuisson
très lentement pour éviter l'essorage des fibres etJou enrubanner la structure
avec une feuille de plastique non adhérente. Cependant ces dispositions ne
sont pas satisfaisantes techniquement et de plus, peu économiques.
L'objet de la présente invention est de protéger l'ensemble de la
structure évoluant au stade B par une coque protectrice (ou « moule continu
»),
plus ou moins rigide, fabriquée ou mise en place en amont du four. Cette coque
protectrice a pour but d'éviter le phénomène d'essorage et/ou d'égouttage et
de
permettre de manipuler et/ou de véhiculer l'ensemble du tube sans dommage
particulier pour la structure finale. Cette coque doit atteindre rapidement un
état suffisamment rigide pour satisfaire les conditions de résistance,
notamment à l'écrasement, et aura de préférence une température de
transition vitreuse supérieure à la température de polymérisation du système
composite qu'il recouvre. On entend par température de transition vitreuse, la
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température qui défini le passage de l'état vitreux dur et cassant du polymère
à un état caoutchouteux.
Selon l'invention, la répartition de la résine dans les fibres reste
homogène, la longueur du four peut être diminuée et l'intégrité dimensionnelle
de la structure finale respectée grâce à la coque.
Ainsi, la présente invention concerne une méthode de fabrication d'une
pièce en matériau composite comportant des fibres de renfort enrobées d'une
matrice en matériau polymérisable etJou réticulable, dans laquelle
- on dépose sur un mandrin au moins une couche de composite,
- on recouvre la couche de matériau composite, non polymérisé, et/ou
non réticulé par au moins une couche de protection en matériau durcissable,
- on durcit la couche de protection avant la polymérisation et/ou la
réticulation de la couche de matériau composite.
Le matériau de la couche de protection durcissable peut être choisi dans
le groupe suivant : des résines thermodurcissables, des polymères
thermoplastiques, des mousses rigides, des ciments, des tissus imprégnés.
Le mandrin peut être un tube continu. Par continu, il faut comprendre
une longueur de tube, par exemple à partir de 30 m et pouvant atteindre
plusieurs centaines de mètres, qui peut être utilisée pour la mise en oeuvre
de
la présente méthode de fabrication.
La matrice du matériau composite peut être une composition à l'état B.
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La matrice peut être une composition thermodurcissable, â faible reprise
d'eau, de pétroles et de ses composants ayant une transition vitreuse d'au
moins 100°C, de préférence d'au moins 120°C et souvent d'au
moins 140°C, la
composition comprenant au moins une résine époxyde formée à partir d'au
moins un poly époxyde contenant dans sa molécule au moins deux groupes
époxydes et d'au moins une polyamine aromatique comportant dans sa
molécule au moins deux groupes amino primaires, au moins un substituant
alcanoyle ayant de 1 à 12 atomes de carbone situé en alpha de l'un des groupes
amino, le rapport molaire de l'amine à l'époxyde étant tel que, à chaque
groupe
amino, il corresponde de 1,6 à 2,6 groupes époxyde.
Le mandrin peut être un tube en polymère thermoplastique, tel que les
PE, les PP, les PA, le PVDF, le PEEK, extrudé en amont de l'étape de dépose
de la couche de composite.
Le mandrin peut être un tube en matériau composite thermoplastique,
en matériau composite thermodurcissable, en matériau composite d'un alliage
(ou mélange) de polymère thermoplastique ou thermodurcissable, ou d'un
mélange de polymère thermoplastique et de polymère thermodurcissable.
Le mandrin peut être un tube métallique, un tube métallique ou
plastique perforé, un treillis métallique ou plastique constituant un tube,
une
mousse rigide.
La couche de protection peut être déposée par extrusion.
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La couche de protection peut être constituée d'au moins une couche de
fibres de renforts imprégnées ou enrobées d'une matrice organique.
L'invention concerne également un dispositif de fabrication d'une pièce
en matériau composite comportant des fibres de renfort enrobées d'une matrice
en matériau polymérisable et/ou réticulable. Le dispositif comporte
- un mandrin sur lequel est déposée au moins une couche du matériau
composite,
- des moyens de recouvrement de la couche de matériau composite non
polymérisé et/ou non réticulé par au moins une couche de protection en
matériau durcissable,
- des moyens de durcissement de la couche de protection avant
polymérisation etJou réticulation de la couche de matériau composite.
Le dispositif peut avoir une chaîne de fabrication constituée par
- des moyens de réalisation du mandrin, par exemple d'extrusion,
- des moyens d'enroulement filamentaire de la couche de composite sur
le mandrin,
- des moyens de mise en place de la couche de protection sur la couche de
composite, par exemple d'extrusion,
- des moyens de polymérisation du composite.
Les moyens de durcissement de la couche de protection peuvent être
placés en amont desdits moyens de polymérisation.
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La présente invention sera mieux comprise et ses avantages
apparaîtront plus clairement à la lecture des exemples suivants, nullement
limitatifs, illustrés par les figures ci-après annexées, parmi lesquelles
- les figures 1A et 1B montrent une pièce de forme tubulaire selon l'art
5 antérieur et selon l'invention,
les figures 2A et 2B montrent schématiquement un dispositif de fabrication
d'une pièce tubulaire, respectivement selon l'art antérieur et selon la
présente invention.
10 La figure 1A montre en coupe un tube 1 selon l'art antérieur constitué
d'un liner 2 servant de mandrin au bobinage 3 constitué par des fibres de
renfort imprégnées d'une résine au stade B.
En pénétrant dans le four 4 (figure 2A), le liner 2 maintient la structure
de fibres imprégnées 3. L'élévation de température dans une première zone 5
du four provoque une fluidification de la résine qui reste dans un état mou et
pâteux. Cette diminution de la viscosité entraîne un essorage par gravité et
une déformation du tube. Au fur et à mesure du déplacement en translation de
la structure vers la sortie du four, la viscosité de la résine va se modifier
au fur
et à mesure de la polymérisation et/ou de la réticulation, pour augmenter
jusqu'à ce qu'elle devienne rigide dans la zone 6. Si le temps de latence de
la
résine est élevé, cet état mou et pâteux est relativement long. Cela pose un
problème pour tracter la structure sans la déformer avant qu'elle ne devienne
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rigide. De plus, le four peut être exagérément long, ou la vitesse de
défilement
trop lente.
Dans le cas de la présente invention, la figure 1B montre un liner 2, sur
lequel sont bobinées les fibres 3 imprégnées de résine au stade B, et une
couche ou coque de protection 7 en matériau durcissable. La figure 2B illustre
schématiquement le procédé selon l'invention. Le liner 2 est recouvert d'une
couche 3 de fibres de renfort enrobées de résine, puis pénètre dans un moyen 9
de fabrication ou de mise en place par recouvrement de la coque selon
l'invention. Le tube ainsi constitué pénètre dans le four 11. Si la matière
durcissable de la coque 7 est dans un état initialement mou et pâteux, elle
est
choisie pour rapidement atteindre son état stabilisé final dur et rigide dès
le
début de la zone 13 du four 11, alors que la résine 3, dite au stade B, est
encore
dans son état mou et pâteux. Pendant le défilement dans la zone 14, la
polymérisation de la couche 3 se poursuit sans problème de pleurage ou de
déformation car la coque extérieure 7, devenue rigide, maintien ladite couche
3
en sandwich entre le liner 2 et sa surface interne. Cette coque permet donc
d'installer un dispositif de traction dès le début du procédé de fabrication.
Cette coque de protection peut être constituée d'une matière durcissable
de réactivité très nettement supérieure aux résines utilisées pour la
réalisation du matériau composite, ou être de nature chimique et d'aspect
différent.
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Dans le cas le plus général, on utilise des résines durcissables par
l'action de la température, ou par d'autres moyens tels que par exemple
rayonnements UV ou IR, micro ondes, ou ajout de catalyseurs ou amorceurs de
polymérisation, des ciments (couche sacrificielle pouvant être éliminée
ultérieurement c'est à dire en fin de zone de traction), des polymères
thermoplastiques, des mousses rigides, des tissus pré-imprégnés durcissables,
ou équivalents, c'est-à-dire tous les matériaux pouvant faire une couche
rigide,
résistante à la température de polymérisation des résines du composite, c'est-
à-dire ne présentant aucune déformation ni écoulement ni altération durant la
fabrication de la structure multicouche, la rigidité devant être obtenue
rapidement.
Dans un exemple particulier d'application, on utilise une résine de type
vinyl ester à température de transition vitreuse élevée qui satisfait aux
critères définis en
- assurant par son plus fort retrait volumique lors de la polymérisation
une densification du système le rendant plus homogène donc moins
déformable,
- polymérisant à une température peu élevée évitant l'essorage des
fibres,
- atteignant une rigidité suffisante dans un laps de temps
suffisamment court,
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- permettant de manipuler sans dommage la structure à l'intérieur du
four.
Comme dans le premier cas, les limitations en température de
polymérisation de l'ensemble seront inhérentes à la nature du liner 2 et de
ses
propriétés physico chimiques (température de transition vitreuse, température
de ramollissement, fusion, etc... ).
Dans un second exemple, on utilise un pré-imprégné d'une résine de
type époxyde - amine comportant un contrôleur d'écoulement. La présence
d'un catalyseur permet d'obtenir un durcissement rapide de la coque de
protection.
Dans un troisième exemple, on utilise un pré-imprégné d'un mélange de
polymère thermoplastique et thermodurcissable. Après durcissement, le
composite permet d'éviter les phénomènes d'essorage.
Comme dans les cas précédents, les limitations en température de
polymérisation de l'ensemble seront inhérentes à la nature du liner 2 et de
ses
propriétés physico chimiques (température de transition vitreuse, température
de ramollissement, fusion, etc...).
