Note : Les descriptions sont présentées dans la langue officielle dans laquelle elles ont été soumises.
CA 02396193 2002-07-30
METHODE DE DIMENSIONNEMENT D'UN TUBE FRETTÉ
La présente invention concerne une méthode pour déterminer les
paramètres caractéristiques de dimensionnement d'un tube fretté.
Le frettage consiste à enrouler un élément de renfort autour d'un tube,
généralement métallique, afin d'augmenter la résistance du tube à la pression
interne sans augmenter son poids de manière significative.
Le tube peut consister en un tube métallique, par exemple en acier.
L'élément de renfort a une dimension longitudinale grande par rapport à sa
section transversale. Il peut se présenter sous la forme d'un ruban, d'un fil
ou
d'un profilé. L'élément de renfort est généralement réalisé à partir de
fibres, de
fils ou de mèches, en verre, en carbone, en aramide, ou en acier, enrobée dans
une matrice en matériau polymère, de préférence thermoplastique.
L'élément de renfort peut être enroulé autour du tube en y
introduisant une tension. Ainsi, l'élément enroulé autour du tube est soumis à
des efforts de traction. Les efforts introduits par l'élément de renfort
provoquent la mise sous contraintes du tube métallique ou noyau. Les efforts
subis par le tube sont radiaux en direction de l'axe du tube.
Les tubes frettés fabriqués selon la méthode de l'invention sont
notamment utilisés par l'industrie pétrolière. Pour produire un pétrole à
partir
d'un gisement situé en mer, on utilise une colonne flexible ou rigide,
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généralement appelée riser , permettant de relier la tête de puits située
au
niveau du fond marin jusqu'à la surface de la mer. En forage du puits, la
conduite constitue le prolongement, à travers la tranche d'eau, du cuvelage
qui
achemine le pétrole du fond du puits jusqu'à la tête de puits. Le riser de
forage est muni d'au moins deux conduites auxiliaires appelées kill line
et
choke line qui servent à établir une communication hydraulique entre le
support à la surface de la mer et la tête de puits située sur le fond marin.
Plus
particulièrement, les conduites auxiliaires permettent de circuler sous les
obturateurs de sécurité fermés en cas de contrôle d'éruption. Chaque ligne
auxiliaire est constituée d'un assemblage de plusieurs tubes identiques
disposés parallèlement à un élément du tube riser .
Dans le cas d'un contrôle d'éruption, les conduites auxiliaires doivent
contenir des fluides sous haute pression, par exemple environ 700 bar. Pour
limiter le poids de l'ensemble du riser , on peut utiliser la technique des
tubes frettés pour les conduites auxiliaires.
Le brevet US 4,514,254 propose de fretter un tube en enroulant sous
tension un profilé autour d'un tube. Le tube ainsi fretté constitue un
réservoir
qui doit résister aux efforts dus à la pression du fluide contenu dans le
tube.
La tension du profilé est choisie de manière à ce que, le réservoir étant en
service sous pression, les contraintes dans la paroi du tube et les
contraintes
dans les couches de profilés atteignent leur maximum admissible en même
temps.
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Ainsi, la présente invention concerne une méthode de fabrication d'un tube
fretté
pour convoyer un fluide sous pression, dans laquelle:
- on enroule un élément de renfort autour d'un tube métallique,
- on détermine un matériau et des dimensions du tube métallique en fonction
des efforts mécaniques appliqués au tube, les efforts mécaniques comportant
des
efforts de compression, de flexion, de traction et d'écrasement à une pression
externe, à l'exception des efforts radiaux dus à une pression interne, et
- on détermine une tension T appliquée à l'élément de renfort en cours
d'enroulement, et un nombre de couches n d'enroulement pour obtenir un champ
déterminé de précontraintes dans une paroi du tube fretté.
Préférentiellement, on peut déterminer T et n pour que le champ de
précontraintes dans le tube fretté est tel qu'à la pression de service, les
contraintes
dans le tube métallique sont inférieures au deux tiers de la limite élastique
du tube
métallique et la tension dans l'élément est inférieure à un tiers de la
tension de
rupture de l'élément.
Préférentiellement, on peut également déterminer T et n pour que le champ
de précontraintes dans le tube fretté est tel qu'à la pression de test, les
contraintes
dans le tube métallique sont inférieures à la limite élastique du tube
métallique et la
tension dans l'élément est inférieur à la moitié de la tension de rupture de
l'élément.
Préférentiellement, la tension T peut être ajustée en fonction du diamètre
d'enroulement de l'élément de renfort.
Préférentiellement, l'élément de renfort peut-être en fibres de carbone
enrobées dans une matière thermoplastique de polyamide.
L'invention concerne également l'application de la méthode définie ci-dessus
à la fabrication d'un élément de ligne auxiliaire d'un élément de riser de
forage.
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Préférentiellement, la ligne auxiliaire peut être une kill line , choke line
,
ligne de gavage ( booster line ) ou une ligne de retour de boue ( mud return
line ).
La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la
description suivante, faite à titre illustratif, en référence aux figures
annexées
parmi lesquelles :
- la figure 1 représente schématiquement un tube fretté en coupe
partielle,
- la figure 2 illustre la méthodologie selon l'invention par un
organigramme.
La figure 1 représente un tube fretté constitué par un noyau tubulaire
métallique 5 équipé à ses extrémités d'éléments de connexions 2 et 3. Ces
éléments de connexions sont adaptés à permettre l'assemblage entre eux de
plusieurs longueurs unitaires de tubes frettés. La partie principale 1 du tube
fretté est constituée par un tube de diamètre intérieur ID et d'épaisseur e. A
ce
corps tubulaire principal, les éléments de raccord 2 et 3 sont généralement
soudés ce qui défini dans le voisinage de la soudure, et en particulier de
part et
d'autre, une zone dite de transition référencée 4 sur la figure 1.
Le frettage est constitué par l'enroulement en plusieurs couches 6, 7, 8
d'un élément de renfort en forme de bande 9. Des moyens d'enroulement (non
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représentés) tournent autour du tube en se déplaçant longitudinalement en
respectant le pas de l'hélice de pose de la bande, ou le tube lui même tourne
autour de son axe et les moyens d'enroulement avancent longitudinalement.
Ces opérations de bobinage sont conventionnelles et ne seront pas décrites
ici,
5 car à la portée de l'homme du métier. Selon un mode de réalisation, la bande
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est constituée par des fibres de carbone enrobées dans une matrice
thermoplastique, par exemple du polyamide. Ces bandes peuvent être
préfabriquées et amenées stockées sur des bobines aux moyens d'enroulement.
L'angle de bobinage est proche de 90 par rapport à l'axe du tube puisque les
contraintes de frettage et les contraintes en service (pression) sont
principalement circonférentielles. Les bandes sont posées sensiblement bord à
bord de façon à former une couche la plus continue possible après collage des
bandes entre elles. De préférence, le collage est effectué par soudure de la
matrice thermoplastique par chauffage ou ultrason. Une matière de collage
par enduction des bandes pourrait être utilisée sans sortir de la présente
invention. Le frettage est caractérisé par la résistance en traction de la
bande
et de la tension T appliquée lors de son enroulement.
Le nombre n de couches de frettage que comprend le tube fretté
constitue également une caractéristique du frettage. La tension T est
généralement uniforme dans une couche d'enroulement. Par contre, la valeur
de la tension T peut varier d'une couche à l'autre, c'est à dire que la
tension T
peut varier suivant le diamètre d'enroulement de la bande sur le tube. Par
exemple, la couche 6 est constituée par un enroulement effectué selon une
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tension T de 2500 N, la couche 7 selon une tension T de 2480 N, et la couche 8
selon une tension T de 2470 N. Les caractéristiques de frettage sont fonction
des niveaux de contraintes attendus dans le tube.
La méthode selon l'invention pour déterminer les paramètres de
fabrication d'un tube fretté est illustrée par l'organigramme de la figure 2.
La
première étape consiste à déterminer les caractéristiques du tube métallique
selon une première série de critères ci-après détaillée. La seconde étape
consiste à déterminer les caractéristiques de frettage selon une deuxième
série
de critères ci-après détaillée.
La première étape vise à déterminer les caractéristiques du tube
métallique. C'est à dire, en référence à la boite 10 de la figure 2, le type
de
métal A, la longueur L entre les raccords, le diamètre intérieur ID du tube et
l'épaisseur e du tube. Compte tenu des standards (API ou autres) pour ce qui
concerne les tubes épais et les normes d'acier, on sélectionne les
caractéristiques du tube dans une base de données référencée 11.
Selon l'application du tube, des valeurs pour A, L, ID ou e peuvent être
imposées. Par exemple, dans le cas de Kill line ou Choke line , le
diamètre intérieur ID du tube est généralement normalisé. Dans le cas d'une
ligne auxiliaire d'un riser de forage, la longueur L est en relation directe
avec
la longueur de l'élément de riser. Si une caractéristique n'est soumise à
aucune
exigence, on lui attribue une valeur initiale.
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Le tube fretté subit diverses sollicitations mécaniques pendant son
utilisation. On évalue, on mesure ou on calcule les forces qui sont appliquées
au tube fretté pendant son utilisation. Selon l'invention, seul le tube
métallique, c'est à dire le noyau tube métallique, sans le renfort de frettage
qui
l'entoure en fin de fabrication, doit permettre au tube fretté de résister aux
sollicitations de compression, de flexion, de traction et d'écrasement à la
pression extérieure. En première étape, on vérifie si les valeurs attribuées
aux
caractéristiques A, L, ID et e permettent au tube métallique sans frettage de
résister aux différentes sollicitations. Cette vérification est effectuée en
plusieurs tests. Pour effectuer ces tests, on peut utiliser les formules et
les
méthodes de calcul classiques issues de la théorie sur la résistance des
matériaux. On peut également faire des expérimentations en testant un tube
métallique.
Le premier test (losange 12) consiste à vérifier si le tube métallique
tel que défini, résiste suffisamment aux efforts de compression axiale, ce qui
implique, entre autre de vérifier la raideur du tube et sa résistance au
flambage. Les efforts de compression appliqués aux extrémités du tube fretté
peuvent avoir pour conséquence de faire flamber le tube. Les efforts de
compression peuvent être engendrés par la pression interne qui génère ce que
l'on appelle un effet de fond qui s'applique sur les fonds du tube fretté.
Si
les contraintes engendrées par les efforts de compression excèdent une valeur
critique déterminée, on modifie la valeur de l'épaisseur e, selon la boucle 13
et
le bloc 14. En cas d'impossibilité industrielle sur l'épaisseur nécessaire, on
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peut faire varier au moins une autre des valeurs des caractéristiques A, L,
ID.
On recommence le premier test 12. Si les contraintes engendrées par les
efforts
de compression n'excèdent pas la valeur critique, on effectue le deuxième test
15. Ladite valeur critique est fixée par l'utilisateur du procédé selon
l'invention. Cette valeur critique peut être, par exemple, égale aux deux
tiers
de la valeur pour laquelle les contraintes de compression provoque le flambage
du noyau du tube fretté. Dans le même temps, on vérifie si le tube métallique
résiste aux efforts de flexion. Les efforts de flexion sont dirigés
perpendiculairement à l'axe du tube et ont pour conséquence de déformer
latéralement un tube. Les efforts de flexion peuvent être engendrés par les
courants marins qui courbent les lignes auxiliaires. Si les contraintes
engendrées par les efforts de flexion excèdent une valeur critique déterminée,
on effectue la même procédure que précédemment, symbolisée par la boucle
référencée 13 et le bloc 14. Si les contraintes engendrées par les efforts de
flexion n'excèdent pas la valeur critique, on passe au deuxième test 15. La
valeur critique est fixée par l'utilisateur du procédé selon l'invention.
Cette
valeur critique peut être égale aux deux tiers de la valeur de la limite
élastique du métal A.
Le deuxième test consiste à vérifier si le tube résiste aux efforts de
traction. Les efforts de traction sont dirigés selon l'axe du tube et ont pour
conséquence d'allonger le tube fretté. Les efforts de traction peuvent
provenir
du poids de la ligne auxiliaire qui est appliqué à un tube fretté, ou de la
pression interne appliquée sur les bouchons qui obstruent les extrémités d'un
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tube lors d'un test, ou de l'allongement de la colonne montante si la conduite
auxiliaire participe à la résistance mécanique de la colonne. Si les
contraintes
engendrées par les efforts de traction excèdent une valeur critique, on
effectue
la même procédure que précédemment, selon la boucle 17. Si les contraintes
engendrées par les efforts de traction n'excèdent pas la valeur critique, on
passe au test suivant.
Le troisième test consiste à vérifier si le tube résiste à l'écrasement.
L'écrasement d'un tube est provoqué par des efforts dirigés selon des
directions
sensiblement perpendiculaires à l'axe du tube et vers l'axe du tube. Ces
efforts
peuvent être engendrés par la pression du fluide appliquée sur la surface
extérieure du tube fretté. Si les contraintes engendrées par les efforts
d'écrasement excèdent une valeur critique déterminée, on effectue la même
procédure que précédemment selon la boucle 18. Si les contraintes engendrées
par les efforts d'écrasement n'excèdent pas la valeur critique, les valeurs
obtenues pour les caractéristiques A, L, ID et e sont telles que le noyau du
tube à fretter résiste aux sollicitations mécaniques, de compression, de
flexion,
de traction et d'écrasement, c'est à dire toutes celles possibles sauf celles
qui
sollicitent à l'éclatement. On poursuit par la seconde étape du procédé selon
l'invention.
La seconde étape du procédé de l'invention vise à déterminer les
caractéristiques du frettage (bloc 20). Les caractéristiques du frettage
regroupent la largeur 1 et l'épaisseur h d'une section de la bande, le type de
matière polymère P et le type de fibre de renfort C utilisés pour réaliser les
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bandes, le nombre de couche n et la tension T du profilé en fonction de la
couche.
Le bloc 21 représente une base de données sur la géométrie et les
matières disponibles pour fabriquer la bande de frettage. Le mode de calcul
5 itératif se fait à partir d'un choix, généralement imposé par l'utilisateur,
du
type de bande choisie dans la base 21.
Selon l'invention, le frettage doit permettre au noyau une fois fretté de
résister aux contraintes imposées par la pression interne, les contraintes
peuvent être calculées selon Von Mises. La pression interne désigne les
efforts
10 engendrés par le fluide sous pression contenu dans le tube fretté. Le
principe
de dimensionnement consiste à déterminer la tension T et le nombre de
couches n pour des bandes de frettage déterminées qui permettent de respecter
des contraintes imposées par la pression interne. Le bloc 22 représente le
calcul pour une pression de service, le bloc 23 pour la pression de test de la
conduite auxiliaire, le bloc 24 pour la pression à l'éclatement. L'itération
consiste après chaque test d'ajuster la tension T (bloc 25) et de déterminer
le
nombre de couche n (bloc 26). Pour effectuer ces tests, on peut utiliser les
formules et les méthodes de calcul issues de la théorie sur la résistance des
matériaux. En effet, le champ de précontraintes dans le noyau métallique et
dans la couche de matériau de renfort (bandes de frettage) d'épaisseur e et de
tension longitudinale données peut être déterminé par calcul conventionnel,
compte tenu de la valeur de la tension T appliquée à une couche située sur un
diamètre déterminé. A partir des contraintes radiales appliquées par la
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pression interne, on peut calculer les contraintes effectives dans le noyau
métallique et dans les couches de frettage, compte tenu du champ de
précontraintes existant. Le principe de l'invention est d'effectuer la
détermination de n et de T pour respecter des critères spécifiques en service,
en test et à la rupture (éclatement). Ces critères peuvent être ceux de la
norme
API 16 Q : pour la pression de service, la contrainte dans le noyau
métallique,
calculée selon Von Mises, est inférieure ou égale aux deux tiers de la limite
élastique et la tension de frettage doit être inférieure à un tiers de la
tension
de rupture ; pour la pression en test, la contrainte dans le noyau métallique,
calculée selon Von Mises, est inférieure ou égale à la limite élastique et la
tension de frettage doit être inférieure à la moitié de la tension de rupture
; au
delà de ces pressions, la résistance à l'éclatement est fournie par les
enroulements des éléments de renfort. La pression de service peut être
imposée par le cahier des charges de la ligne auxiliaire. La pression de test
peut être égale à trois demi de la pression de service.
Le bloc 27 représente l'obtention du dimensionnement du tube fretté et
ses caractéristiques de fabrication.
Le bloc 28 représente l'enrobage total du tube, par exemple par
bobinage d'une couche de protection.
