FR2828121A1 - Methode de dimensionnement d'un tube frette - Google Patents

Abstract

- Méthode de dimensionnement d'un tube fretté pour convoyer un fluide sous pression. Le tube fretté est constitué d'un tube métallique et d'un enroulement d'un élément de renfort autour du tube métallique pour réaliser le frettage du tube. En première étape la méthode consiste à déterminer selon une première série de critère les caractéristiques du tube métallique sans le renfort de frettage qui l'entoure en fin de fabrication. La première série de critère regroupe la résistance à tous les efforts mécaniques appliqués au tube fretté, c'est à dire la compression, la flexion, la traction et l'écrasement, à l'exception des efforts radiaux dus à la pression interne. En deuxième étape, la méthode consiste à déterminer les caractéristiques du frettage pour obtenir un champ déterminé de précontraintes dans la paroi du tube fretté.

Description

commander la translation et/ou la rotation du tube (1).

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, afn d'augmenter la résistance du tube à la pression

interne sans augmenter son poids de manière signifcative.

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 proflé. L'élément de renfort est généralement réalisé à partir de fbres, 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 intro duis ant une tensi on. Ainsi, l'él ément enroul é autour du tube est s oumis 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 *ettés 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, 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 lO 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 4,614,264 propose de fretter un tube en enroulant sous tension un proflé 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 profflé 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 proflés atteignent leur maximum admissible en même temps. Ainsi, la présente invention concerne une méthode pour dimensionner un tube *etté pour convoyer un fluide sous pression, le tube fretté comprenant un tube métallique et un enroulement d'un élément de renfort autour dudit tube, la méthode comprend les étapes suivantes: - on détermine le matériau et les dimensions dudit tube métallique en fonction des efforts mécaniques appliqués audit tube, à l'exception des efforts radiaux dus à la pression interne, - on détermine la tension T appliquée à l'élément en cours d'enroulement, et le nombre de couches n d'enroulement pour obtenir

un champ déterminé de précontraintes dans la paroi du tube fretté.

Selon l'invention, on peut déterminer T et n pour que le champ de précontraintes dans le tube *etté est tel qu'à la pression de service, les contraintes dans ledit tube métallique sont inférieures au deux tiers de la limite élastique dudit tube métallique et la tension dans ledit élément est inférieure à un tiers de la tension de rupture dudit élément. On peut également déterminer T et n pour que le champ de précontraintes dans le tube *etté est tel qu'à la pression de test, les contraintes dans ledit tube métallique sont inférieures à la limite élastique dudit tube métallique et la tension dans

ledit élément est inférieure à la moitié de la tension de rupture dudit élément.

La tension T peut être ajustée en fonction du diamètre d'enroulement

de l'élément de renfort.

L'élément de renfort peut être en fbres de carbone enrobées dans une

matière thermoplastique de polyamide.

La méthode selon l'invention peut être appliquée à la fabrication d'un élément de ligne auxiliaire d'un élément de riser de forage, la ligne auxiliaire pouvant être une " kill line ", une " choLe line ", une 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 tutulaire 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 *ettés. La partie principale 1 du tube *etté 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 rétérencée 4 sur la figure 1.

Le *ettage 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 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 méme tourne

autour de son axe et les moyens d'enroulement avancent longitudinalement.

Ces opérations de bobinage sont conventionnelles et ne seront pas décrites ici, car à la portée de l'homme du métier. Selon un mode de réalisation, la bande 9 est constituce par des fibres de carbone enrobées dans une matrice thermoplastique, par exemple du polyamide. Ces bandes peuvent étre

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 *ettage et les contraintes en service (pression) sont principalement circonférentielles. Les bandes sont posoes 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 *etté 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 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 s el on l'invention pour déterminer l es 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 rétérence 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 l es tub es épais et les normes d'acier, on s électionne les

caractéristiques du tube dans une base de données rétérencée 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.

Le tube fretté subit divers es sollicitations mécani ques p end ant s on 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 l es contraintes engendré es p ar les efforts de compression excè dent 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

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 l0 de compression n'excèdent pas la valeur critique, on effectue le deuxième test 16. 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 l 5 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 16. La valeur critique est fixée par l'utilisateur du procédé selon l'invention. Cette valeur critique peut 8tre 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 appliquce sur les bouchons qui obstruent les extrémités d'un tube lors d'un test, ou de l'allongement de la colonne montante si la conduite lO 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.

l 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 engendrces 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 l 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 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 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 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 26) 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 situce sur un diamètre déterminé. A partir des contraintes radiales appliquées par la 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 pent être imposée par le cahier des charges de la ligne auxiliaire. La pression de test

pent être égale à trois demi de la pression de service.

Le bloc 27 représente l'obtention du dimensionnement du tube *etté et ses caractéristiques de fabrication. Le bloc 28 représente l'enrobage total du tube, par exemple par

bobinage d'une couche de protection.

REVE ND I CATION S

1. Méthode pour dimensionner un tube fretté pour convoyer un fluide sous pression, le tube fretté comprenant un tube métallique et un enroulement d'un élément de renfort autour dudit tube, la méthode comprend les étapes suivantes: - on détermine le matériau et les dimensions dudit tube métallique en fonction des efforts mécaniques appliqués audit tube, à l'exception des efforts radiaux dus à la pression interne, - on détermine la tension T appliquée à l'élément en cours d'enroulement, et le nombre de couches n d'enroulement pour obtenir

un champ déterminé de précontraintes dans la paroi du tube fretté.

2. Méthode selon la revendications 1, dans laquelle on détermine T et n pour

que le champ de précontraintes dans le tube fretté est tel qu'à la pression de service, les contraintes dans ledit tube métallique sont inférieures au deux tiers de la limite élastique dudit tube métallique et la tension dans ledit élément est inférieure à un tiers de la tension de rupture dudit élément.

3. Méthode selon l'une des revendications 1 et 2, dans laquelle on détermine T

et n pour que le champ de précontraintes dans le tube *etté est tel qu'à la pression de test, les contraintes dans ledit tube métallique sont inférieures à la limite élastique dudit tube métallique et la tension dans ledit élément est inférieure à la moitié de la tension de rupture dudit élément.

4. Méthode selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle la

tension T est ajustée en fonction du diamètre d'enroulement de l'élément de renfort.

6. Méthode selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle

l'élément de renfort est en fibres de carbone enrobées dans une matière

thermoplastique de polyamide.

6. Application de la méthode selon l'une des revendications précédentes à la

fabrication d'un élément de ligne auxiliaire d'un élément de riser de forage.

7. Application selon la revendication 6, dans laquelle ladite ligne auxiliaire est l'une des lignes auxiliaires suivantes: " kill line ", " choke line ", ligne