WO2013128097A1 - Conduite tubulaire flexible pour le transport d'hydrocarbures corrosifs - Google Patents

Conduite tubulaire flexible pour le transport d'hydrocarbures corrosifs Download PDF

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flexible tubular
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Carol TARAVEL-CONDAT
Thomas EPSZTEIN
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    • F16L11/04—Hoses, i.e. flexible pipes made of rubber or flexible plastics
    • F16L2011/047—Hoses, i.e. flexible pipes made of rubber or flexible plastics with a diffusion barrier layer

Definitions

  • the present invention relates to a flexible underwater pipe for the transport of hydrocarbons comprising corrosive agents, in particular water and acid gases.
  • the present invention is more particularly directed to flexible pipes of the unbonded type, as described in the normative documents API 17J "Specification for Unbonded Flexible Pipe” and API RB 17B "Recommended Practice for Flexible Pipe” by the American Petroleum Institute.
  • These flexible pipes usually comprise, from the inside to the outside, an internal carcass, an internal sealing sheath, a pressure vault, a plurality of tensile armor plies and an outer protective sheath.
  • the main function of the internal carcass is the recovery of the radial forces of crushing, for example those related to the hydrostatic pressure. It is made from a profiled stainless steel strip and wound at short pitch to form contiguous turns stapled together.
  • the internal sealing sheath generally called pressure sheath, is an extruded polymeric sheath whose function is the confinement of the fluid flowing in the pipe.
  • the pressure vault (English language)
  • it is generally formed of a metal wire wrapped short pitch in contiguous turns around the inner sealing sheath. It thus makes it possible to take up the radial forces related to the pressure of the fluid flowing in the pipe.
  • the traction armor plies have the function of resuming the traction forces exerted on the pipe. These plies are made of generally metallic armor wires wound helically with a long pitch around the pressure vault. Finally, an outer protective sheath of polymeric material is extruded around the tensile armor.
  • the term "short pitch” characterizes the helical windings having a helix angle of absolute value between 70 ° and 90 °.
  • the term “long pitch” characterizes meanwhile the helical windings having an absolute value helix angle less than or equal to 60 °.
  • the inner carcass and the pressure vault have helix angles of absolute value generally close to 85 °.
  • the flexible pipes generally comprise one or two pairs of cross plies of tensile armor, said plies having a helix angle of absolute value typically between 20 ° and 60 °, and preferably between 25 ° and 55 °.
  • the inner pressure sheath is tight to hydrocarbons and other transported fluids such as water, small amounts of gas can slowly diffuse through it, especially when the temperature and pressure thereof are high.
  • This phenomenon mainly concerns small molecules, in particular water in the vapor phase, and gases of carbon dioxide (CO2), hydrogen sulphide (H2S) and methane (CH4).
  • CO2 carbon dioxide
  • H2S hydrogen sulphide
  • CH4 methane
  • these wires can be subjected to high static and dynamic loads, which can cause a phenomenon of fatigue.
  • the most severe loadings are generally observed in the upper part of risers connecting a subsea equipment located at great depth to a floating production support located at the surface.
  • the tensile armors are subjected to a high static tension stress related to the weight of the pipe, to which are added dynamic stresses in tension and in transverse flexion related to the movements of the production unit. under the effect of waves and waves.
  • the son of the pressure vault and tensile armor must therefore be designed to withstand durably the phenomena of corrosion and hydrogen embrittlement under applied stress, said stress can be static or dynamic depending on the loading conditions.
  • the tensile armor have high mechanical characteristics, otherwise the structure weighed down by its great length, is difficult to install and requires a floating support production oversized compared traditional media, which generates very significant additional costs.
  • WO 03/074206 discloses a flexible pipe having carbon steel armor covered with a anti-corrosion coating made of titanium, titanium alloy, stainless steel, nickel or nickel alloy.
  • a anti-corrosion coating made of titanium, titanium alloy, stainless steel, nickel or nickel alloy.
  • Solutions are also known consisting in filling all or part of the annular space with a water-repellent liquid, for example based on glycol and methanol, and / or with a corrosion inhibitor liquid.
  • a water-repellent liquid for example based on glycol and methanol
  • a corrosion inhibitor liquid for example based on glycol and methanol
  • the patent application WO2005 / 028198 discloses a solution of adding in the conduit an intermediate layer both flexible and very low gas permeability so as to reduce the diffusion of gas to the annular space.
  • This intermediate layer located under the pressure vault consists of a thin metal film having been bonded to an extruded sheath of polymer material. The bonding between this film and this sheath makes it possible to avoid the formation of gas pockets at their common interface, the presence of such gas pockets being able to have a detrimental effect on the integrity of the internal layers of the pipe, especially when stopping and rapid decompression phases (risk of collapse of the internal carcass and the pressure sheath).
  • this pipe can not be wound to a small radius of curvature, otherwise the bonding between the film and the sheath could break, which would then promote the formation of pockets of gas.
  • the same problem may also occur in the dynamic areas at which the pipe is highly stressed in bending, especially in the upper part of rising pipe.
  • a problem that arises and that aims to solve the present invention is to provide a flexible pipe inexpensive and easy to manufacture that can sustainably transport corrosive hydrocarbons while being subjected to high static and dynamic loads.
  • the present invention proposes a flexible tubular pipe of the unbound type intended for the transport of fluids in the field of offshore oil exploitation, said pipe comprising at least from inside to outside a sheath pressure device, an intermediate sheath, tensile armors and an outer sheath, characterized in that the water permeance of said intermediate sheath is at least two times smaller than the water permeance of said pressure sheath, and in that the hydrogen sulfide permeance of said intermediate sheath is at least twice as great as the hydrogen sulphide permeance of said pressure sheath, and in that the carbon dioxide permeance of said intermediate sheath is at least twice as great as the carbon dioxide permeance of said pressure sheath, and in that the methane permeance of said intermediate sheath is at least twice as large as the methane permeance of said pressure sheath.
  • the permeance to a molecule of a polymeric sheath is equal to the ratio between, on the one hand, the coefficient of permeability of said sheath with respect to said molecule, and on the other hand the thickness of said sheath. It characterizes the ability of this sheath to be traversed radially by this molecule, all other conditions having been fixed elsewhere, in steady state, the mass flow rate of a stream of molecules traversing radially said sheath is substantially proportional to the permeance to this molecule of said sheath.
  • the coefficients of permeability with respect to water, hydrogen sulphide, carbon dioxide and methane are measured in the laboratory on duct samples with the equipment described. lower.
  • the conditions for measuring the permeability coefficients, namely the temperature and the pressure, are also defined below.
  • the characteristic that the intermediate sheath has a water permeance at least two times lower than the water permeance of the pressure sheath has the technical effect of greatly limiting the diffusion of water towards the annular space situated between the intermediate sheath and the outer sheath, so that the partial pressure of the water having diffused into the annular space remains durably below saturation vapor pressure.
  • the addition of such an intermediate sheath makes it possible to avoid the phenomenon of condensation of the water having diffused, and consequently to ward off the corrosion of the tensile armor.
  • corrosion in the annular space occurs only in the presence of water in liquid form. As long as the water remains in the vapor phase, corrosion remains negligible, even in the presence of H2S gas, and / or CO2 and / or CH4.
  • the invention makes it possible in particular to solve the problem of corrosion fatigue in the upper part of dynamic risers.
  • This phenomenon which occurs when the wires are stressed in the presence of a corrosive medium comprising water in liquid form, largely determines the characteristics of the tensile armor particularly in the case of risers intended to be operated at great depth (2000m and more).
  • the present invention thus makes it possible to push back the limits of use of carbon steel wires.
  • CH4 have the technical effect of avoiding an accumulation of these gases at the interface between the pressure sheath and the intermediate sheath. Indeed, since the permeance of the intermediate sheath vis-à-vis these gases is significantly greater than that of the pressure sheath, it follows that such gases having already diffused through the pressure sheath diffuse then easily through the intermediate sheath to join the annular space between the intermediate sheath and the outer sheath. These gases can then if necessary circulate along the pipe to reach one of the two end caps of the pipe to be evacuated to the outside. Indeed, because of the low helix angle of the tensile armor, the pressure losses are low and the gases can therefore flow easily along the annular space. In addition means for evacuating these gases to the outside can be easily arranged at the ends of the pipe, these means may additionally be equipped with valves so as to limit and control the gas pressure in the annular space.
  • the intermediate sheath is in contact with the pressure sheath.
  • the intermediate sheath is extruded directly onto the pressure sheath.
  • These two sheaths are not glued together, the flexible pipe being of unbound type. This lack of bonding between these two sheaths has the advantage of facilitating the manufacture of the pipe and increasing its reliability in service. This avoids having to add an intermediate link layer. This also avoids the coextrusion process, certainly feasible but complex process to implement to achieve sheaths of large diameter.
  • the two sheaths are advantageously extruded on one another, in two successive stages, with conventional extrusion means.
  • the particular properties of permeance of these two sheaths make it possible to avoid the formation of gas pockets at the interface between these two sheaths, without the need to stick them together.
  • the invention is not dependent on the quality of a bond and its lifetime, which gives it a better reliability than that of the solutions of the prior art which use a bonding to avoid the formation of pockets of gas.
  • the concept of the present invention is that of a selective screen vis-à-vis the permeation phenomena, so as to strongly limit the diffusion of water to prevent condensation in the annular space, while leaving the H2S, CO2 and CH4 diffuse easily to the annular space.
  • these gases frequently have high partial pressures in the hydrocarbons, and it is therefore easier to facilitate their diffusion and then to evacuate them to the end pieces than to try to confine them by taking the risk of forming pockets of gas.
  • the water is either in the liquid phase with a very low saturation vapor pressure, or in the vapor phase with a partial pressure that is generally much lower than that of the other gases, so that in practice the water is Partial pressure of the water vapor at the interface between the pressure sheath and the intermediate sheath remains low and far from the risk zone.
  • the thickness of the intermediate sheath is preferably greater than or equal to 3 mm.
  • the intermediate sheath is made of polyethylene.
  • This material has a coefficient of permeability vis-à-vis water three to ten times lower than that of other materials generally used to achieve the pressure sheath of flexible pipes, namely mainly polyamides 11 or 12 and polymers fluorinated vinylidene fluoride, and especially based on polyvinylidene fluoride (PVDF).
  • the polyethylene has a coefficient of permeability vis-à-vis CO2, H2S and CH4 significantly higher than that of other materials used to make the pressure sheath. Polyethylene therefore offers a good barrier against the permeation of water, while not excessively limiting the permeation of CO2, H2S and CH4. It is also an inexpensive material and easy to extrude.
  • the intermediate sheath is made of polypropylene.
  • the flexible tubular conduit may comprise an internal carcass located inside the pressure sheath.
  • the flexible tubular conduit may include a pressure vault surrounding the pressure sheath.
  • the pressure vault surrounds the intermediate sheath.
  • the water permeance of the intermediate sheath is at least three times smaller than the water permeance of the pressure sheath, and the hydrogen sulphide permeance of the intermediate sheath. is at least twice as large as the hydrogen sulphide permeance of the pressure sheath, and the carbon dioxide permeance of the intermediate sheath is at least twice as great as the carbon dioxide permeance of the sheath of pressure, and finally the methane permeance of the intermediate sheath is at least two times greater than the methane permeance of the pressure sheath.
  • the selective screen effect imparted by the intermediate sheath is even more favorable.
  • the polymeric intermediate sheath does not comprise any chemically active filler capable of reacting with water and / or hydrogen sulphide and / or carbon dioxide and / or methane.
  • the intermediate sheath produces barrier effects against the permeation of these molecules which are solely related to diffusion and absorption / desorption phenomena. As a result, these barrier effects are stable and durable, which is not the case when chemically active agents are added to the intermediate sheath.
  • Figure 1 is a partial perspective view of a flexible pipe according to the invention.
  • Figure 2 is a sectional view of a device for measuring the permeability coefficient of a sheath sample against H2S or CO2 or CH4.
  • FIG. 3 is an example of a measurement made with the device of FIG. 2.
  • FIG. 4 is a sectional view of a device for measuring the coefficient of permeability of a sheath sample with respect to water.
  • the flexible tubular pipe (1) shown in FIG. 1 comprises from inside to outside an internal carcass (2), a pressure sheath (3), an intermediate sheath (4), a pressure vault (5) , tensile armor (6,7), and an outer sheath (8).
  • the inner carcass (2) is formed from a profiled stainless metal strip and wound short pitch to form contiguous turns stapled together.
  • the main function of the internal carcass (2) is the recovery of the radial forces of crushing, for example those related to the hydrostatic pressure or those exerted by external equipment, especially during installation at sea of the pipe.
  • the pipe (1) shown in Figure 1 is called “rough bore”("roughbore” in English) because of the presence and geometry of the inner carcass (2).
  • the present invention could also apply to driving having no carcass, such a pipe being called “smooth bore”("smoothbore” in English), because its first layer from the inside is the pressure sheath (3), this sheath being in fact a extruded polymeric tube having a smooth inner wall.
  • the pressure sheath (3) is an extruded polymeric sheath whose function is the confinement of the hydrocarbon circulating inside the pipe (1), the inner carcass (2) not being leakproof.
  • the polymer material constituting the pressure sheath (3) is chosen in particular according to the chemical composition, the temperature and the pressure of the hydrocarbon that must transport the pipe.
  • the most used polymers for producing the pressure sheath (3) are polyamide-11 (PA 11), polyamide-12 (PA 12), polyamide-6-12 (PA 6-12), crosslinked polyethylene and fluorinated polymers based on vinylidene fluoride, and in particular those based on polyvinylidene fluoride (PVDF).
  • thermoplastic polymer combining at least two fluorinated monomers, one of these two monomers bearing at least one alkoxy function, for example a copolymer or a terpolymer combining tetrafluoroethylene (TFE) and a another fluorinated monomer, especially a fluorinated cyclic ether or a fluorinated aldehyde, as taught in the patent application WO96 / 30687.
  • the pressure sheath (3) could also be made with other high performance engineering polymers, used alone or in combination, such as polyetheretherketone (PEEK), polyimide (PI), polysulfone ( PSU), polyethersulfone (PES), polyphenylsulfone (PPSU), polyetherimide (PEI), polyphthalamide (PPA), phenylene polysulfide (PPS), or liquid crystal polymers (LCP).
  • PEEK polyetheretherketone
  • PI polyimide
  • PSU polyethersulfone
  • PES polyethersulfone
  • PPSU polyphenylsulfone
  • PEI polyetherimide
  • PPA polyphthalamide
  • PPS phenylene polysulfide
  • LCP liquid crystal polymers
  • the pressure vault (5) consists of one or more wires having a cross-section in the form of Z, T, C, X, or K, the one or more yarns being wound helically with short pitch and stapled. between them.
  • This layer has the main function of taking up radial forces related to the pressure of the hydrocarbon circulating in the pipe, the pressure sheath (3) not being able to withstand itself a high pressure and must therefore be supported by the pressure vault.
  • the pipe (1) also comprises a pair of traction armor plies (6, 7) made of metal wires wound with a long pitch, and whose function is to take up the traction forces exerted on the pipe.
  • the two armor plies are crossed, that is to say that they have substantially opposite helix angles, so as to balance the structure in torsion, that is to say so as to limit its tendency to rotate under the effect of traction.
  • the tensile armor wires generally have a substantially rectangular section, but they can also have a circular or T-shaped section.
  • these wires are advantageously made of hardened carbon steel, which gives them
  • the ultimate tensile strength of tensile armor yarns is advantageously greater than 1000 MPa, more preferably greater than 1200 MPa, preferably greater than 1400 MPa.
  • the carbon content of the steels used is generally of the order of 0.3% to 0.4%. Steels with a high carbon content, typically more than 0.8%, can also be used in order to obtain a tensile rupture limit greater than 1700 MPa, as is especially taught by the patent application WO2011 / 105428. .
  • the outer sheath (8) is an extruded polymeric sheath for protecting the inner layers of the pipe (1). It is generally made of polyethylene, elastomeric thermoplastic or polyamide. In order to economically reduce the weight of the pipe (1), it is particularly advantageous to achieve the tensile armor (6,7) with carbon steels with high mechanical strength, but it turns out that the resistance to fatigue corrosion of such steels may prove to be insufficient in certain critical cases, especially in the upper part of certain dynamic risers. To solve this problem, the pipe (1) comprises a polymeric intermediate sheath (4) located between the pressure sheath (3) and the pressure vault (5).
  • this intermediate sheath (4) are chosen so that firstly the water permeance of the intermediate sheath (4) is at least two times smaller than the water permeance of the pressure sheath (3), and secondly the H2S permeance of the intermediate sheath (4) is at least twice as large as the H2S permeance of the pressure sheath (3), and thirdly the C02 permeance the intermediate sheath (4) is at least twice as large as the CO2 permeance of the pressure sheath (3), and fourthly the CH4 permeance of the intermediate sheath (4) is at least twice as large as the CH4 permeance of the pressure sheath (3).
  • the presence of the intermediate sheath (4) limits the diffusion of water from the inside of the pipe to the annular space between the intermediate sheath (4) and the outer sheath (8), This makes it possible to avoid the phenomenon of condensation of the diffused water and consequently to solve the problem of fatigue corrosion of the tensile armor (6,7).
  • the intermediate sheath (4) was extruded directly onto the pressure sheath (3) with conventional extrusion means. These two sheaths are not bonded together which facilitates the manufacture of the pipe (1). This absence of bonding, however, is not detrimental to the behavior of the pipe because the intermediate sheath (4) has high permeances vis-à-vis the H2S, CO2 and CH4, which prevents the risk of formation of pockets of gas at the interface between the pressure sheath (3) and the intermediate sheath (4).
  • the thickness of the intermediate sheath (4) is advantageously greater than or equal to 3 mm, typically between 3 mm and 12 mm, preferably between 4 mm and 8 mm.
  • the intermediate sheath (4) is advantageously made of polyethylene, especially when the pressure sheath (3) consists of polyamide or PVDF. Examples are detailed below.
  • the pressure vault (3) can be omitted, but in this case the armor plies (6, 7) have a helix angle of absolute value close to 55 °, which gives the tensile armor the ability to withstand both the axial tensile forces and the radial forces related to the internal pressure.
  • FIG. 2 represents a device making it possible to measure the coefficient of permeability of a polymer sheath with respect to a gas of the H2S or CO2 or CH4 type.
  • This device called a cell, comprises a hollow metal enclosure (10) inside which is disposed a membrane-shaped sheath sample (11) of thickness L.
  • the enclosure (10) can be dismounted so as to be able to introduce it the membrane-shaped sample (11).
  • the enclosure (10) typically comprises two complementary covers (12, 13) interconnected by screws (14, 15) or other equivalent means of attachment.
  • the membrane (11) separates in two the central cavity of the enclosure (10), so as to form two separate cavities (18, 19) located on either side of the membrane (11).
  • the two cavities (18, 19) are cylindrical, coaxial, and have the same internal diameter D.
  • the membrane (11) is disposed perpendicular to the axis of the two cavities (18, 19).
  • the periphery of the membrane (11) is attached to the cell (10) by clamping between the two covers (12, 13) with the screws (14, 15).
  • Sealing means (16, 17) of the O-ring type are disposed between the periphery of the membrane (11) and the covers (12, 13).
  • upstream cavity (18) The first of the two cavities (18, 19), called upstream cavity (18), is connected by an upstream pipe (20) to a reservoir (25) containing the gas vis-à- the permeability measurement must be made, ie H2S or CO2 or CH4.
  • This reservoir has a volume much greater than that of the upstream cavity (18), so that the pressure P1 of the gas in the upstream cavity (18) remains substantially constant despite the phenomenon of permeation of this gas through the membrane ( 11).
  • An upstream pressure measuring sensor (26) makes it possible to measure the pressure P1 in the upstream cavity (18).
  • downstream cavity (19) The second of the two cavities (18, 19), called downstream cavity (19), is connected by a downstream pipe (21) to the inlet of the valve (22) whose opening and closing can be controlled by means electric or pneumatic not shown.
  • the outlet of the valve (22) opens to evacuation and pumping means (23).
  • a downstream pressure measurement sensor (24) makes it possible to measure the pressure P2 in the downstream cavity (19).
  • the downstream pressure measuring sensor (24) is connected to the electric or pneumatic means for controlling the opening and closing of the valve (22).
  • the upstream pressure P1 is much greater than the downstream pressure P2 so as to reproduce the operating conditions in a flexible pipe, namely conditions in which the pressure inside the pipe is much greater than the pressure in space ring of the pipe wall.
  • the membrane (11) is generally not able to withstand the pressure difference P1-P2 without damaging it alone.
  • the downstream cavity (19) is filled with a gas manifold (28), this manifold being a porous piece highly permeable to gases capable of mechanically supporting the membrane (11) to prevent damage to it effect of the pressure difference P1-P2.
  • the collector (28) is a sintered stainless steel piece having a high compressive strength.
  • the coefficients of permeability of the collector (28) vis-à-vis the H2S, CO2 and CH4 are much higher than those of the membrane (11), typically at least a hundred times higher, so that circulation of these gases in the downstream cavity (19) is not disturbed by the presence of the collector (28).
  • the cell (0) is equipped with a sensor (27) for measuring the temperature T and means not shown for heating and temperature control.
  • the temperature T and the pressures P1 and P2 are recorded as a function of time using means not shown.
  • FIG. 3 illustrates a recording made by the cell of FIG. 2.
  • the ordinate axis (41) corresponds to a pressure and the abscissa axis (42) to time.
  • the curve (40) solid line is an example of recording the pressure P2 in the downstream cavity (19) as a function of time t.
  • the valve (22) is closed and the downstream cavity (19) is under partial vacuum, P2 being close to 0 bar.
  • the cell (10) is then at the test temperature.
  • the upstream cavity (18) is rapidly filled with a gas (H2S or CO2 or CH4) under a constant high pressure P1, for example 50 bar, P1 pressure which then remains constant throughout the duration of the recording.
  • the gas then begins to slowly diffuse through the membrane (11) from the upstream cavity (18) to the downstream cavity (19).
  • the pressure P2 in the downstream cavity (19) remains at first zero for a certain time and then begins to increase once the first gas molecules have passed through the membrane (11).
  • the control means of the valve (22) are programmed to automatically open the latter when the pressure P2 reaches a predefined threshold Ps, then to close automatically once the downstream cavity (19) has been emptied and the vacuum initial partial recovery.
  • This evacuation operation is performed automatically by the evacuation and pumping means (23).
  • a complete sequence of opening the valve (22), depressurizing the downstream cavity (19) and finally closing the valve (22) lasts less than one minute, which remains negligible compared to the total duration of the recording which is of the order of several days because of the slowness of the diffusion phenomena.
  • the first depressurization sequence of the downstream cavity (9) takes place at time t1 and corresponds to the vertical section of curve (44). Then, the pressure P2 starts to increase slowly due to the diffusion phenomenon, which corresponds to the curve section (45). Then, as P2 reaches again Ps, a second depressurization sequence is triggered automatically at time t2, which corresponds to the curve section (46). The phenomenon repeats itself until the end of the recording, the pressure P2 varying according to a sawtooth curve alternating slow ascents (45, 47, 49) and almost instantaneous descents (44, 46, 48, 51).
  • the predefined pressure threshold Ps is much lower than the pressure P1, Ps being typically equal to 2% of P1.
  • P2 since P2 is always less than or equal to Ps, P2 remains much smaller than P1, so that the pressure difference P1-P2 remains substantially equal to P1.
  • P1 being kept constant throughout the test, it follows that P1-P2 also remains substantially constant.
  • the instant t0 0 corresponds to the beginning of the test while the instants t1, t2, t3, t4, and so on correspond to the successive sequences of depressurization of the downstream cavity (19).
  • the cumulative pressure P2c is proportional to the total number n of moles of gas having diffused through the membrane (11) since the beginning of the test. Indeed, by applying the batch of perfect gases, we obtain the following formula:
  • V '2 R is the universal constant of perfect gases
  • T is the temperature of the gas measured by the sensor (27)
  • V2 is the volume occupied by the gas in the downstream cavity (19) and in the downstream pipe (21) when the valve (22) is closed.
  • V2 is smaller than the internal volume of the downstream cavity (19) due to the presence of the collector (28), which reduces the volume available for the gas.
  • V2 is measured prior to the test. In this way, it is possible to determine at each instant t the total number n of moles of gas having diffused through the membrane since the beginning of the test.
  • the cumulative curve (50) of pressure P2c generally comprises three parts. At the beginning of the test, the cumulative pressure P2c remains zero for a certain time. Then, when the first gas molecules have passed through the membrane (11), P2c first increases non-linearly. Finally, when the steady state is reached, P2c increases linearly.
  • the permeability coefficient Pe with respect to one of the gases H2S, CO2 or CH4 is determined when the steady state is reached. It is given by the following formula:
  • A is the surface of the membrane (11) through which the gas diffuses
  • L is the thickness of the membrane (11).
  • P1 and P2 are respectively the gas pressures upstream and downstream of the membrane (11).
  • ⁇ is the number of moles of gas that passed through the membrane (11) during the time interval ⁇ .
  • the surface through which the gas diffuses is a disc of diameter D.
  • ⁇ 2 ⁇ / ⁇ is the slope of the curve (50) of the cumulative pressure P2c, this slope being constant in steady state.
  • FIG. 4 represents a device making it possible to measure the coefficient of permeability of a polymeric sheath with respect to water.
  • the measuring cell (30) comprises a cylindrical metal enclosure (32) of internal diameter D and substantially vertical axis by ground ratio.
  • the metal wall of the enclosure (32) extends only on its cylindrical side face (37) and on its flat upper face (33).
  • the lower face of the enclosure (32) is closed by a sheath sample (31) in the form of a flat membrane of thickness L.
  • the membrane (31) is arranged perpendicularly to the axis of the enclosure (32), that is to say substantially parallel to the ground.
  • the periphery of the membrane (31) is attached to the enclosure (32) by dismountable means, for example a flange (36) held by screws (38, 39) which clamp the membrane (31) against the wall of the enclosure (32).
  • Sealing means (35) of the O-ring type are interposed between the periphery of the membrane (31) and the enclosure (32).
  • the cylindrical cavity (34) inside the enclosure has been totally or partially filled with water (52) before the membrane (31) is installed. This water filling is done at atmospheric pressure and at room temperature. During the test, the pressure outside the enclosure (32) remains equal to the atmospheric pressure.
  • the cell (30) is equipped with means (not shown) for heating, regulating and measuring the temperature T of the water and the membrane (31).
  • the pressure inside the enclosure (32) is not regulated and may vary depending on the temperature T.
  • the evolution of the mass m of the cell (30) as a function of time t is recorded.
  • the mass m varies non-linearly as a function of time t. Then, as soon as the steady state is reached, m decreases linearly as a function of t.
  • A is the surface of the membrane (31) through which the gas diffuses.
  • L is the thickness of the membrane (31).
  • the surface through which the gas diffuses is a disc of diameter D.
  • the SI unit of a permeability coefficient Pe 'vis-à-vis the water is kg. s "1. m” 1, but it is generally preferred to use the g. s "1 cm “ 1 .
  • the membranes (11, 31) used to measure the permeability coefficients vis-à-vis the H2S, CO2, CH4 and water gases were machined in samples taken from the sheath of the pipe during manufacture, after extrusion thereof.
  • the sheath is made of a semi-crystalline polymer, for example PVDF
  • the membrane samples (11, 31) can also be made by a molding compression process subject to using the same raw material than that used to extrude the sheath of which one seeks to measure the coefficients of permeability.
  • the polymer is semi-crystalline, the orientation of the molecular chains generated by the extrusion process has no significant influence on the permeability coefficients, so that it is possible to achieve representative sample by compression molding.
  • the diameter D of the membranes (11, 31) of FIGS. 2 and 4 is typically between 50 mm and 100 mm, for example 70 mm.
  • the thickness L of the membranes (11, 31) is typically between 0.5 mm and 3 mm, for example of the order of 2 mm for the measurements of the permeability coefficients with respect to H2S, CO2 or CH4, and of the order of 1 mm for the measurement of the permeability coefficient vis-à-vis water.
  • Table 1 specifies the conditions for measuring the permeability coefficients of the sheaths making it possible to implement the present invention.
  • Example number 1 The first example concerns a flexible pipe of internal diameter
  • 250mm can be submerged up to 1300m deep and can carry corrosive hydrocarbons pressure 300 bar and temperature of the order of 65 ° C.
  • This pipe essentially comprises, from the inside towards the outside, an internal carcass of thickness 10mm in stainless steel, a pressure sheath of thickness 7mm in polyamide 11 (PA 11), an intermediate sheath of thickness 3mm in polyethylene (PE), a total thickness of 17.5mm pressure vault, two cross plies of tensile armor with a total thickness of 8mm and an outer sheath made of polyethylene (PE) 9mm thick.
  • the pressure vault consists of the superposition of two layers wound at short pitch, namely on the one hand a stapled layer formed from a wire in the form of "zeta" thickness 10mm, and other from a non-stapled layer formed from a wire of rectangular section and thickness 7.5mm.
  • the pressure vault and the tensile armor are both made with carbon steels having a carbon content of the order of 0.35%.
  • the intermediate PE sheath and the PA1 pressure sheath are not bonded together, the structure being of unbound type.
  • Table 2 gives the different coefficients of permeability of PA11 and PE, these coefficients having been measured with the experimental means described above and under the measurement conditions described in Table 1.
  • Table 2 also specifies the permeances of the pressure sheath and the intermediate sheath of this flexible pipe vis-à-vis the H2S, the
  • the permeance of a sheath vis-à-vis a molecule is calculated by making the ratio between the permeability coefficient of this sheath vis-à-vis this molecule and the thickness of the sheath. this sheath.
  • Table 2 The last line of Table 2 compares molecule by molecule permeances of the intermediate sheath and the pressure sheath.
  • the H2S permeance of the intermediate sheath is equal to 3.53 times the H2S permeance of the pressure sheath.
  • the CO2 permeance of the intermediate sheath is 4.51 times the CO2 permeance of the pressure sheath.
  • the CH4 permeance of the intermediate sheath is 12.72 times the CH4 permeance of the pressure sheath.
  • the H2O permeance of the intermediate sheath is equal to 0.21 the H20 permeance of the pressure sheath, that is to say that it is almost 5 times smaller than the latter.
  • Moldi Tm a finite element calculation software described in an article entitled "Moldi Tm : a Fluid Permeation Model to Calculate the Annulus Composition in Flexible Pipes" written by Z. Benjelloum-Dabaghi, has been used.
  • the medium in which the pressure vault and the tensile armor are located is much less corrosive so that the pressure vault and the armor can durably withstand the stresses. to which they are subject.
  • the problem of fatigue corrosion of tensile armor is also solved.
  • the second example relates to a flexible pipe of internal diameter 150mm which can be submerged up to 1600m deep and can carry corrosive hydrocarbons pressure 550 bar and temperature of the order of 110 ° C.
  • This pipe essentially comprises, from the inside towards the outside, an internal carcass of thickness 6mm in stainless steel, a pressure sheath 6.5mm thick polyvinylidene fluoride (PVDF), an intermediate sheath 4mm thick in polyethylene (PE), a pressure vault of total thickness 13.7mm, two cross plies of tensile armor of total thickness 8mm and an outer sheath made of polyethylene (PE) 6mm thick.
  • the pressure vault consists of the superposition of two layers wound with a short pitch, namely on the one hand a stapled layer formed from a wire in the form of "zeta" of thickness 6.2 mm, and of on the other hand, a non-stapled layer formed from a wire of rectangular section and thickness 7.5 mm.
  • Both the pressure vault and the tensile armor are made of carbon steels having a carbon of the order of 0.35%.
  • the intermediate PE sheath and the PVDF pressure sheath are not bonded together, the structure being of unbound type.
  • Table 3 gives the different coefficients of permeability of PVDF and PE, these coefficients having been measured with the experimental means described above and under the measuring conditions described in Table 1. Table 3 also specifies the permeances of the pressure sheath. and the intermediate sheath of this flexible pipe.
  • the H2S permeance of the intermediate sheath is equal to 15.02 times the H2S permeance of the pressure sheath.
  • the CO 2 permeance of the intermediate sheath is equal to 2.58 times the C02 permeance of the pressure sheath.
  • the CH4 permeance of the intermediate sheath is 18.80 times the CH4 permeance of the pressure sheath.
  • the H20 permeance of the intermediate sheath is equal to 0.27 the H20 permeance of the pressure sheath, that is to say that it is almost 4 times smaller than the latter.

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Description

Conduite tubulaire flexible pour le transport d'hydrocarbures corrosifs La présente invention concerne une conduite flexible sous-marine pour le transport d'hydrocarbures comportant des agents corrosifs, notamment de l'eau et des gaz acides.
La présente invention vise plus particulièrement les conduites flexibles de type non lié (« unbonded » en langue anglaise), telles que décrites dans les documents normatifs API 17J « Spécification for Unbonded Flexible Pipe » et API RB 17B « Recommended Practice for Flexible Pipe » publiés par l'American Petroleum Institute.
Ces conduites flexibles comprennent usuellement, de l'intérieur vers l'extérieur, une carcasse interne, une gaine interne d'étanchéité, une voûte de pression, plusieurs nappes d'armures de traction et une gaine de protection externe.
La carcasse interne a pour fonction principale la reprise des efforts radiaux d'écrasement, par exemple ceux liés à la pression hydrostatique. Elle est réalisée à partir d'un feuillard en acier inoxydable profilé et enroulé à pas court pour former des spires jointives agrafées entre elles. La gaine interne d'étanchéité, généralement appelée gaine de pression (« pressure sheath » en langue anglaise), est une gaine polymérique extrudée ayant pour fonction le confinement du fluide circulant dans la conduite. Quant à la voûte de pression (« pressure vault » en langue anglaise), elle est formée généralement d'un fil de forme métallique enroulé à pas court en spires jointives autour de la gaine interne d'étanchéité. Elle permet ainsi de reprendre les efforts radiaux liés à la pression du fluide circulant dans la conduite. Les nappes d'armure de traction ont pour fonction la reprise des efforts de traction qui s'exercent sur la conduite. Ces nappes sont constituées de fils d'armure généralement métalliques enroulés hélicoïdalement à pas long autour de la voûte de pression. Enfin, une gaine externe de protection en matériau polymérique est extrudée autour des armures de traction.
Dans la présente demande, le terme « à pas court » caractérise les enroulements hélicoïdaux présentant un angle d'hélice de valeur absolue comprise entre 70° et 90°. Le terme « à pas long » caractérise quant à lui les enroulements hélicoïdaux présentant un angle d'hélice de valeur absolue inférieure ou égale à 60°. La carcasse interne et la voûte de pression présentent des angles d'hélice de valeur absolue généralement proche de 85°. Les conduites flexibles comportent généralement une ou deux paires de nappes croisées d'armures de traction, lesdites nappes ayant un angle d'hélice de valeur absolue typiquement comprise entre 20° et 60°, et avantageusement entre 25° et 55°.
Bien que la gaine interne de pression soit étanche aux hydrocarbures et aux autres fluides transportés tels que l'eau, de petites quantités de gaz peuvent lentement diffuser à travers cette dernière, notamment lorsque la température et Sa pression sont élevées. Ce phénomène concerne principalement des molécules de petite taille, notamment l'eau en phase vapeur, et les gaz de dioxyde de carbone (C02), de sulfure d'hydrogène (H2S) et de méthane (CH4). Ainsi, lorsque l'hydrocarbure contient un ou plusieurs de ces gaz, ce ou ces derniers peuvent diffuser à travers la gaine de pression et venir s'accumuler dans l'espace annulaire situé entre la gaine de pression et la gaine externe de protection. La présence de ces gaz de diffusion dans l'espace annulaire peut générer un milieu corrosif pour les fils métalliques de la voûte de pression et des armures de traction.
En outre, lorsque la conduite est en service, ces fils métalliques peuvent être soumis à de fortes charges statiques et dynamiques, ce qui peut engendrer un phénomène de fatigue. Les chargements les plus sévères sont généralement observés dans la partie supérieure des conduites montantes (« risers » en langue anglaise) reliant un équipement sous-marin situé à grande profondeur à un support flottant de production situé à la surface. En effet, dans cette zone, les armures de traction sont soumises à une forte contrainte statique en tension liée au poids de la conduite, à laquelle s'additionnent des contraintes dynamiques en tension et en flexion transverse liées aux mouvements de l'unité de production sous l'effet de la houle et des vagues.
Les fils de la voûte de pression et des armures de traction doivent donc être conçus pour résister durablement aux phénomènes de corrosion et de fragilisation hydrogène sous contrainte appliquée, ladite contrainte pouvant être statique ou dynamique en fonction des conditions de chargement. De plus, pour les applications à grande profondeur il est nécessaire que les armures de traction présentent des caractéristiques mécaniques élevées, faute de quoi la structure alourdie par sa grande longueur, s'avère difficile à installer et nécessite un support flottant de production surdimensionné par rapport aux supports traditionnels, ce qui engendre des surcoûts très importants.
Or généralement, dans le cas où ces armures sont réalisées en acier au carbone ou en acier faiblement allié, l'augmentation des caractéristiques mécaniques se fait au détriment de la résistance à la corrosion, ce qui rend difficile la mise au point d'une conduite flexible destinée à opérer à très grande profondeur, 2000m et plus, et pouvant résister à des hydrocarbures corrosifs.
Pour résoudre ce problème, on connaît des solutions consistant à réaliser les armures de traction et/ou la voûte de pression avec des aciers inoxydables spéciaux. Ces solutions, qui sont notamment divulguées dans les demandes de brevet EP2228578 et WO2010/128238, présentent cependant l'inconvénient d'être coûteuses à mettre en oeuvre.
De plus, on connaît aussi des solutions consistant à recouvrir les fils d'armure d'un revêtement qui les protège contre la corrosion, Ainsi, le document WO 03/074206 divulgue une conduite flexible comportant des armures en acier au carbone recouvertes d'un revêtement anti-corrosion réalisé en titane, alliage de titane, inox, nickel ou encore en alliage de nickel. Cependant, le procédé d'élaboration de ces fils plaqués est complexe et coûteux,
Par ailleurs, il a aussi été imaginé des solutions consistant à drainer vers l'un des deux embouts de la conduite la vapeur d'eau et les gaz corrosifs présents dans l'espace annulaire, puis à les évacuer vers l'extérieur ou vers l'intérieur. Ces solutions, qui sont notamment décrites dans les demandes de brevet WO2005/019715 et WO00/17479, utilisent des moyens de pompage et optionnellement des moyens d'injection d'un gaz inerte du type azote à l'intérieur de l'espace annulaire. Ces solutions sont cependant complexes à mettre en œuvre.
On connaît aussi des solutions consistant à remplir tout ou partie de l'espace annulaire avec un liquide hydrofuge, par exemple à base de glycol et de méthanol, et/ou avec un liquide inhibiteur de corrosion. De telles solutions sont notamment décrites dans la demande de brevet WO2011/026801 , ainsi que dans l'article intitulé « Technical solutions applied for the treatment of damaged dynamic risers » écrit par T.S. Taylor, M.W. Joosten et F. Smith, et publié sous la référence OMAE2002-28371 aux Proceedings de la « 21st International Conférence on Offshore Mechanics and Arctic Engineering, June 23-28, 2002, Oslo, Norway ». Ces solutions présentent elles aussi l'inconvénient d'être difficiles à mettre en œuvre.
Les demandes de brevet EP844429 et WO2009/153451 décrivent des solutions consistant à introduire dans la gaine de pression en matériau polymère des produits chimiquement actifs avec le H2S et/ou le CO2 de manière à neutraliser ces gaz corrosifs lors de leur diffusion à travers ladite gaine, de sorte qu'ils n'atteignent pas l'espace annulaire. Ces solutions sont complexes et présentent une durée de vie limitée, dans la mesure où l'effet de barrière contre la diffusion s'arrête dès lors que la totalité des produits chimiquement actifs a été consommé par réaction avec les gaz corrosifs.
La demande de brevet WO2005/028198 divulgue une solution consistant à ajouter dans la conduite une couche intermédiaire à la fois flexible et très peu perméable aux gaz de façon à réduire la diffusion des gaz vers l'espace annulaire. Cette couche intermédiaire située sous la voûte de pression est constituée d'un film métallique de faible épaisseur ayant été collé sur une gaine extrudée en matériau polymère. Le collage entre ce film et cette gaine permet d'éviter la formation de poches de gaz au niveau de leur interface commune, la présence de telles poches de gaz pouvant avoir un effet préjudiciable sur l'intégrité des couches internes de la conduite, notamment lors des phases d'arrêt et de décompression rapide (risque de collapse de la carcasse interne et de la gaine de pression). Cependant, du fait de la faible ductilité du film, cette conduite ne peut pas être enroulée à un faible rayon de courbure, faute de quoi le collage entre le film et la gaine risquerait de se rompre, ce qui favoriserait ensuite la formation de poches de gaz. Le même problème risque aussi de survenir dans les zones dynamiques au niveau desquelles la conduite est fortement sollicitée en flexion, notamment en partie supérieure de conduite montante. Aussi, un problème qui se pose et que vise à résoudre la présente invention, est de fournir une conduite flexible peu coûteuse et facile à fabriquer pouvant transporter durablement des hydrocarbures corrosifs tout en étant soumise à de fortes charges statiques et dynamiques.
Dans le but de résoudre ce problème, la présente invention propose une conduite tubulaire flexible du type non lié destinée au transport de fluides dans le domaine de l'exploitation pétrolière offshore, ladite conduite comportant au moins de l'intérieur vers l'extérieur une gaine de pression, une gaine intermédiaire, des armures de traction et une gaine externe, caractérisée en ce que la perméance à l'eau de ladite gaine intermédiaire est au moins deux fois plus petite que la perméance à l'eau de ladite gaine de pression , et en ce que la perméance au sulfure d'hydrogène de ladite gaine intermédiaire est au moins deux fois plus grande que la perméance au sulfure d'hydrogène de ladite gaine de pression, et en ce que la perméance au dioxyde de carbone de ladite gaine intermédiaire est au moins deux fois plus grande que la perméance au dioxyde de carbone de ladite gaine de pression, et en ce que la perméance au méthane de ladite gaine intermédiaire est au moins deux fois plus grande que la perméance au méthane de ladite gaine de pression.
La perméance à une molécule d'une gaine polymérique est égale au ratio entre d'une part le coefficient de perméabilité de ladite gaine vis-à-vis de ladite molécule, et d'autre part l'épaisseur de ladite gaine. Elle caractérise l'aptitude de cette gaine à se laisser traverser radialement par cette molécule, Toutes autres conditions ayant été fixées par ailleurs, en régime permanent, le débit massique d'un flux de molécules traversant radialement ladite gaine est sensiblement proportionnel à la perméance à cette molécule de ladite gaine.
Pour la mise en œuvre de la présente invention, les coefficients de perméabilité vis-à-vis de l'eau, du sulfure d'hydrogène, du dioxyde de carbone et du méthane sont mesurés en laboratoire sur des échantillons de gaine avec les équipements décrits plus bas. Les conditions de mesure des coefficients de perméabilité, à savoir la température et la pression sont elles aussi définies plus bas.
La caractéristique selon laquelle la gaine intermédiaire présente une perméance à l'eau au moins deux fois plus faible que la perméance à l'eau de la gaine de pression a pour effet technique de limiter fortement la diffusion d'eau vers l'espace annulaire situé entre la gaine intermédiaire et la gaine externe, de telle sorte que la pression partielle de l'eau ayant diffusé dans l'espace annulaire reste durablement en deçà de la pression de vapeur saturante. Ainsi, l'ajout d'une telle gaine intermédiaire permet d'éviter le phénomène de condensation de l'eau ayant diffusé, et par suite de conjurer la corrosion des armures de traction. En effet, la corrosion dans l'espace annulaire ne survient qu'en présence d'eau sous forme liquide. Tant que l'eau reste sous phase vapeur, la corrosion reste négligeable et ceci même en présence de gaz du type H2S, et/ou de C02 et/ou de CH4.
De la sorte, l'invention permet notamment de résoudre le problème de fatigue corrosion en partie supérieure des conduites montantes dynamiques. Ce phénomène, qui survient lorsque les fils sont sollicités en fatigue en présence d'un milieu corrosif comportant de l'eau sous forme liquide, détermine en grande partie les caractéristiques des armures de traction notamment dans le cas de conduites montantes destinées à être opérées à grande profondeur (2000m et plus). En prévenant ce phénomène, la présente invention permet donc de repousser les limites d'utilisation des fils en acier au carbone.
Les caractéristiques relatives aux perméances au H2S, au C02 et au
CH4 ont pour effet technique d'éviter une accumulation de ces gaz à l'interface entre la gaine de pression et la gaine intermédiaire. En effet, étant donné que la perméance de la gaine intermédiaire vis-à-vis de ces gaz est nettement supérieure à celle de la gaine de pression, il s'en suit que de tels gaz ayant déjà diffusé à travers la gaine de pression diffusent ensuite facilement à travers la gaine intermédiaire pour venir rejoindre l'espace annulaire situé entre la gaine intermédiaire et la gaine externe. Ces gaz peuvent ensuite si nécessaire circuler le long de la conduite pour rejoindre l'un des deux embouts d'extrémité de la conduite afin d'être évacués vers l'extérieur. En effet, du fait du faible angle d'hélice des armures de traction, les pertes de charges sont faibles et les gaz peuvent donc circuler facilement le long de l'espace annulaire. De plus des moyens d'évacuation de ces gaz vers l'extérieur peuvent être facilement aménagés au niveau des embouts de la conduite, ces moyens pouvant de surcroît être équipés de soupapes de façon à limiter et à contrôler la pression des gaz dans l'espace annulaire.
En outre, selon un mode préféré de réalisation de l'invention, la gaine intermédiaire est en contact avec la gaine de pression. Selon ce mode de réalisation la gaine intermédiaire est extrudée directement sur la gaine de pression. Ces deux gaines ne sont pas collées entre elles, la conduite flexible étant de type non lié. Cette absence de collage entre ces deux gaines a pour avantage de faciliter la fabrication de la conduite et d'augmenter sa fiabilité en service. Ceci permet d'éviter d'avoir à ajouter une couche intermédiaire de liaison. Ceci permet aussi d'éviter le procédé de coextrusion, procédé certes envisageable mais complexe à mettre en œuvre pour réaliser des gaines de fort diamètre. Les deux gaines sont avantageusement extrudées l'une sur l'autre, en deux étapes successives, avec des moyens d'extrusion conventionnels. De plus, les propriétés particulières de perméance de ces deux gaines permettent d'éviter la formation de poches de gaz à l'interface entre ces deux gaines, sans qu'il soit nécessaire de les coller entre elles. Ainsi l'invention n'est pas tributaire de la qualité d'un collage et de sa durée de vie, ce qui lui confère une meilleure fiabilité que celle des solutions de l'art antérieur qui utilisent un collage pour éviter la formation de poches de gaz.
Le concept de la présente invention est celui d'un écran sélectif vis-à-vis des phénomènes de perméation, de façon à limiter fortement la diffusion de l'eau pour éviter sa condensation dans l'espace annulaire, tout en laissant le H2S, le C02 et le CH4 diffuser facilement vers l'espace annulaire. En effet, ces gaz présentent fréquemment des pressions partielles élevées dans les hydrocarbures, et il est donc plus simple de faciliter leur diffusion puis de les évacuer vers les embouts que d'essayer de les confiner en prenant le risque de formation de poches de gaz. Par contre, dans ces mêmes hydrocarbures, l'eau est soit en phase liquide avec une pression de vapeur saturante très faible, soit en phase vapeur avec une pression partielle généralement nettement plus faible que celles des autres gaz, si bien qu'en pratique la pression partielle de la vapeur d'eau au niveau de l'interface entre la gaine de pression et la gaine intermédiaire reste faible et éloignée de la zone à risque. Par ailleurs, l'épaisseur de la gaine intermédiaire est préférentiellement supérieure ou égale à 3 mm. Ainsi, cette gaine peut être facilement extrudée avec des moyens conventionnels.
De surcroît, avantageusement, la gaine intermédiaire est constituée de polyéthylène. Ce matériau présente un coefficient de perméabilité vis-à-vis de l'eau trois à dix fois plus faible que celui des autres matériaux généralement utilisés pour réaliser la gaine de pression des conduites flexibles, à savoir principalement les polyamides 11 ou 12 et les polymères fluorés à base de fluorure de vinylidène, et notamment à base de polyfluorure de vinylidène (PVDF). En outre, le polyéthylène présente un coefficient de perméabilité vis- à-vis du C02, du H2S et du CH4 nettement supérieur à celui des autres matériaux utilisés pour réaliser la gaine de pression. Le polyéthylène offre donc un bon effet de barrière contre la perméation de l'eau, tout en ne limitant pas excessivement la perméation du C02, du H2S et du CH4. C'est de plus un matériau peu coûteux et facile à extruder.
Selon un autre mode de réalisation de l'invention, la gaine intermédiaire est constituée de polypropylène.
Par ailleurs, la conduite tubulaire flexible peut comporter une carcasse interne située à l'intérieur de la gaine de pression.
De plus, la conduite tubulaire flexible peut comporter une voûte de pression entourant la gaine de pression. Dans ce cas, avantageusement, la voûte de pression entoure la gaine intermédiaire. En outre, selon une variante avantageuse, la perméance à l'eau de la gaine intermédiaire est au moins trois fois plus petite que la perméance à l'eau de la gaine de pression, et la perméance au sulfure d'hydrogène de la gaine intermédiaire est au moins deux fois plus grande que la perméance au sulfure d'hydrogène de la gaine de pression, et la perméance au dioxyde de carbone de la gaine intermédiaire est au moins deux fois plus grande que la perméance au dioxyde de carbone de la gaine de pression, et enfin la perméance au méthane de la gaine intermédiaire est au moins deux fois plus grande que la perméance au méthane de la gaine de pression. De la sorte, l'effet d'écran sélectif conféré par la gaine intermédiaire est encore plus favorable. Par ailleurs, avantageusement, la gaine intermédiaire polymérique ne comporte aucune charge chimiquement active apte à réagir avec l'eau et/ou le sulfure d'hydrogène et/ou le dioxyde de carbone et/ou le méthane. De la sorte, la gaine intermédiaire produit des effets de barrière contre la perméation de ces molécules qui sont uniquement liés à des phénomènes de diffusion et d'absorption/désorption. Il en résulte que ces effets de barrière sont stables et durables, ce qui n'est pas le cas lorsqu'on ajoute dans la gaine intermédiaire des agents chimiquement actifs.
D'autres particularités et avantages de l'invention ressortiront à la lecture de plusieurs modes de réalisation de l'invention, ainsi que des dessins annexés sur lesquels :
La figure 1 est une vue en perspective partielle d'une conduite flexible selon l'invention.
La figure 2 est une vue en coupe d'un dispositif de mesure du coefficient de perméabilité d'un échantillon de gaine vis-à-vis du H2S ou du C02 ou du CH4.
La figure 3 est un exemple de mesure effectuée avec le dispositif de la figure 2.
La figure 4 est une vue en coupe d'un dispositif de mesure du coefficient de perméabilité d'un échantillon de gaine vis-à-vis de l'eau.
La conduite tubulaire flexible (1 ) représentée sur la figure 1 comprend de l'intérieur vers l'extérieur une carcasse interne (2), une gaine de pression (3), une gaine intermédiaire (4), une voûte de pression (5), des armures de traction (6,7), et une gaine externe (8).
La carcasse interne (2) est constituée à partir d'un feuillard métallique inoxydable profilé et enroulé à pas court pour former des spires jointives agrafées entre elles. La fonction principale de la carcasse interne (2) est la reprise des efforts radiaux d'écrasement, par exemple ceux liés à la pression hydrostatique ou ceux exercés par des équipements externes, notamment lors de l'installation en mer de la conduite. La conduite (1 ) représentée sur la figure 1 est dite « à passage non lisse » (« rough bore » en langue anglaise) du fait de la présence et de la géométrie de la carcasse interne (2). Cependant, la présente invention pourrait aussi s'appliquer à une conduite ne comportant pas de carcasse, une telle conduite étant dite « à passage lisse » (« smooth bore » en langue anglaise), car sa première couche en partant de l'intérieur est la gaine de pression (3), cette gaine étant en fait un tube polymérique extrudé présentant une paroi intérieure lisse.
La gaine de pression (3) est une gaine polymérique extrudée ayant pour fonction le confinement de l'hydrocarbure circulant à l'intérieur de la conduite (1), la carcasse interne (2) n'étant pas étanche. Le matériau polymère constituant la gaine de pression (3) est choisi en fonction notamment de la composition chimique, de la température et de la pression de l'hydrocarbure que doit transporter la conduite. Les polymères les plus utilisés pour réaliser la gaine de pression (3) sont le polyamide-11 (PA 11), le polyamide-12 (PA 12), le polyamide-6-12 (PA 6-12), le polyéthylène réticulé et les polymères fluorés à base de fluorure de vinylidène, et notamment ceux à base de polyfluorure de vinylidène (PVDF).
Lorsque la température de l'hydrocarbure est supérieure à 130°C, par exemple de l'ordre de 150X, d'autres polymères peuvent avantageusement être utilisés pour réaliser la gaine de pression (3). Ainsi, par exemple, cette dernière peut être réalisée avec un polymère thermoplastique associant au moins deux monomères fluorés, l'un de ces deux monomères portant au moins une fonction alkoxy, par exemple un copolymère ou un terpolymère associant le tétrafluoroéthylène (TFE) et un autre monomère fluoré, notamment un éther cyclique fluoré ou un aldéhyde fluoré, comme cela est enseigné dans la demande de brevet WO96/30687. Un tel polymère est notamment commercialisé par la société DuPont sous la marque Teflon® PFA. Pour les applications à haute température, la gaine de pression (3) pourrait aussi être réalisée avec d'autres polymères techniques à hautes performances, utilisés seuls ou en combinaison, notamment le polyétheréthercétone (PEEK), le polyimide (PI), le polysulfone (PSU), le polyéthersulfone (PES), le polyphénylsulfone (PPSU), le polyétherimide (PEI), le polyphtalamide (PPA), le polysulfure de phénylène (PPS), ou les polymères à cristaux liquides (LCP). La demande de brevet WO2008/119677 enseigne l'utilisation d'un mélange de PEEK et de PPSU pour réaliser la gaine de pression (3). Ainsi, un grand nombre de polymères et de mélanges de polymères peuvent être utilisés pour réaliser la gaine de pression (3), comme cela est notamment enseigné par la demande de brevet WO2005/028198 qui cite entre autres les polyoléfines dont le polypropylène (PP), et le polyuréthane (PU).
La voûte de pression (5) est constituée d'un ou plusieurs fils métalliques présentant une section transverse en forme de Z, de T, de C, de X, ou de K, le ou lesdits fils étant enroulés hélicoïdalement à pas court et agrafés entre eux. Cette couche a pour fonction principale la reprise des efforts radiaux liés à la pression de l'hydrocarbure circulant dans la conduite, la gaine de pression (3) n'étant pas capable de supporter à elle seule une pression élevée et devant donc être supportée par la voûte de pression.
La conduite (1) comporte aussi une paire de nappes d'armures de tractions (6,7) constituées de fils métalliques enroulés à pas long, et ayant pour fonction la reprise des efforts de traction exercés sur la conduite. Les deux nappes d'armure sont croisées, c'est-à-dire qu'elles ont des angles d'hélices sensiblement opposés, de façon à équilibrer ta structure en torsion, c'est-à-dire de façon à limiter sa tendance à tourner sous l'effet d'une traction. Les fils d'armure de traction ont généralement une section sensiblement rectangulaire, mais ils peuvent aussi avoir une section circulaire ou en forme de T. Pour des raisons essentiellement économiques, ces fils sont avantageusement réalisés en acier au carbone fortement écroui, ce qui leur confère une grande résistance à la traction, La limite à la rupture en traction des fils d'armure de traction est avantageusement supérieure à 1000 MPa, plus avantageusement supérieure à 1200 MPa, préférentiellement supérieure à 1400 MPa. La teneur en carbone des aciers utilisés est généralement de l'ordre de 0,3% à 0,4%. Des aciers à haute teneur en carbone, typiquement plus de 0,8% peuvent aussi être utilisés dans le but d'obtenir une limite à la rupture en traction supérieure à 1700 MPa, comme cela est notamment enseigné par la demande de brevet WO2011/105428.
La gaine externe (8) est une gaine polymérique extrudée ayant pour fonction la protection des couches internes de la conduite (1). Elle est généralement réalisée en polyéthylène, en thermoplastique élastomère ou en polyamide. Afin de réduire de façon économique le poids de la conduite (1 ), il est particulièrement avantageux de réaliser les armures de traction (6,7) avec des aciers au carbone à haute résistance mécanique, mais il s'avère que la résistance à la fatigue corrosion de tels aciers peut s'avérer insuffisante dans certains cas critiques, notamment en partie supérieure de certaines conduites montantes dynamiques. Afin de résoudre ce problème, la conduite (1) comprend une gaine intermédiaire polymérique (4) située entre la gaine de pression (3) et la voûte de pression (5). De plus, l'épaisseur et la composition chimique de cette gaine intermédiaire (4) sont choisis pour que premièrement la perméance à l'eau de la gaine intermédiaire (4) soit au moins deux fois plus petite que la perméance à l'eau de la gaine de pression (3), et que deuxièmement la perméance au H2S de la gaine intermédiaire (4) soit au moins deux fois plus grande que la perméance au H2S de la gaine de pression (3), et que troisièmement la perméance au C02 de la gaine intermédiaire (4) soit au moins deux fois plus grande que la perméance au C02 de la gaine de pression (3), et que quatrièmement la perméance au CH4 de la gaine intermédiaire (4) soit au moins deux fois plus grande que la perméance au CH4 de la gaine de pression (3).
De la sorte, comme cela est expliqué plus haut, la présence de la gaine intermédiaire (4) limite la diffusion d'eau de l'intérieur de la conduite vers l'espace annulaire situé entre la gaine intermédiaire (4) et la gaine externe (8), Ceci permet d'éviter le phénomène de condensation de l'eau ayant diffusé et par suite de résoudre le problème de fatigue corrosion des armures de traction (6,7).
La gaine intermédiaire (4) a été extrudée directement sur la gaine de pression (3) avec des moyens conventionnels d'extrusion. Ces deux gaines ne sont pas collées entre elles ce qui facilite la fabrication de la conduite (1). Cette absence de collage n'est cependant pas préjudiciable au comportement de la conduite car la gaine intermédiaire (4) présente des perméances élevées vis-à-vis du H2S, du C02 et du CH4, ce qui prévient le risque de formation de poches de gaz à l'interface entre la gaine de pression (3) et la gaine intermédiaire (4). L'épaisseur de la gaine intermédiaire (4) est avantageusement supérieure ou égale à 3 mm, typiquement comprise entre 3 mm et 12 mm, préférentiellement comprise entre 4 mm et 8 mm.
La gaine intermédiaire (4) est avantageusement constituée de polyéthylène, notamment lorsque la gaine de pression (3) est constituée de polyamide ou de PVDF. Des exemples sont détaillés plus bas.
D'autres couches non représentées sur la figure (1) peuvent être ajoutées si nécessaire, comme par exemples des bandes anti-usure intercalées entre les couches métalliques adjacentes, des couches d'isolation thermiques, ou encore des bandes tissées de renfort. Dans certaines applications la voûte de pression (3) peut être supprimée, mais dans ce cas les nappes d'armures (6,7) présentent un angle d'hélice de valeur absolue proche de 55°, ce qui confère aux armures de traction la capacité de supporter à la fois les efforts axiaux de traction et les efforts radiaux liés à la pression interne.
La figure 2 représente un dispositif permettant de mesurer le coefficient de perméabilité d'une gaine polymérique vis-à-vis d'un gaz du type H2S ou C02 ou CH4. Ce dispositif appelé cellule comporte une enceinte métallique creuse (10) à l'intérieur de laquelle est disposé un échantillon de gaine (11) en forme de membrane d'épaisseur L. L'enceinte (10) est démontable de façon à pouvoir y introduire l'échantillon en forme de membrane (11). L'enceinte (10) comporte typiquement deux capots complémentaires (12, 13) reliés entre eux par des vis (14, 15) ou autres moyens équivalents de fixation. La membrane (11 ) sépare en deux la cavité centrale de l'enceinte (10), de façon à former deux cavités distinctes (18, 19) situées de part et d'autre de la membrane (11 ). Les deux cavités (18, 19) sont cylindriques, coaxiales, et ont le même diamètre intérieur D. La membrane (11) est disposée perpendiculairement à l'axe des deux cavités (18,19). Le pourtour de la membrane (11 ) est attaché à la cellule (10) par serrage entre les deux capots (12, 13) à l'aide des vis (14, 15). Des moyens d'étanchéité (16, 17) du type joint torique sont disposés entre le pourtour de la membrane (11 ) et les capots (12, 13).
La première des deux cavités (18, 19), appelée cavité amont (18), est reliée par une conduite amont (20) à un réservoir (25) contenant le gaz vis-à- vis duquel la mesure de perméabilité doit être faite, à savoir du H2S ou du C02 ou du CH4. Ce réservoir a un volume très supérieur à celui de la cavité amont (18), de façon à ce que la pression P1 du gaz dans la cavité amont (18) reste sensiblement constante malgré le phénomène de perméation de ce gaz à travers la membrane (11 ). Un capteur de mesure de pression amont (26) permet de mesurer la pression P1 dans la cavité amont (18).
La deuxième des deux cavités (18, 19), appelée cavité aval (19), est reliée par une conduite aval (21) à l'entrée de la vanne (22) dont l'ouverture et la fermeture peuvent être pilotée par des moyens électriques ou pneumatiques non représentés. La sortie de la vanne (22) débouche vers des moyens d'évacuation et de pompage (23). Un capteur de mesure de pression aval (24) permet de mesurer la pression P2 dans la cavité aval (19). Le capteur de mesure de pression aval (24) est relié aux moyens électriques ou pneumatiques de pilotage de l'ouverture et de la fermeture de la vanne (22).
La pression amont P1 est très supérieure à la pression aval P2 de façon à reproduire les conditions de service dans une conduite flexible, à savoir des conditions dans lesquelles la pression à l'intérieur de la conduite est très supérieure à la pression dans l'espace annulaire de la paroi de la conduite. Par suite, la membrane (11) n'est généralement pas capable de supporter seule sans endommagement la différence de pression P1-P2. C'est pourquoi la cavité aval (19) est remplie avec un collecteur de gaz (28), ce collecteur étant une pièce poreuse très perméable aux gaz capable de supporter mécaniquement la membrane (11) pour éviter qu'elle ne soit endommagée sous l'effet de la différence de pression P1-P2. En pratique, le collecteur (28) est une pièce en acier inoxydable fritté présentant une forte résistance à la compression. Les coefficients de perméabilité du collecteur (28) vis-à-vis du H2S, du C02 et du CH4 sont très supérieurs à ceux de la membrane (11), typiquement au moins cent fois supérieurs, de sorte que circulation de ces gaz dans la cavité aval (19) n'est pas perturbée par la présence du collecteur (28).
Les phénomènes de perméation étant dépendant de la température, la cellule ( 0) est équipée d'un capteur (27) de mesure de la température T et de moyens non représentés de chauffage et de régulation de température. La température T et les pressions P1 et P2 sont enregistrées en fonction du temps à l'aide de moyens non représentés.
La figure 3 illustre un enregistrement effectué par la cellule de la figure 2. L'axe des ordonnées (41 ) correspond à une pression et l'axe des abscisses (42) au temps. La courbe (40) en trait plein est un exemple d'enregistrement de la pression P2 dans la cavité aval (19) en fonction du temps t.
A l'instant t0=0, la vanne (22) est fermée et la cavité aval (19) est sous vide partiel, P2 étant proche de 0 bar. La cellule (10) est alors à la température de test. De plus, à l'instant tO = 0, la cavité amont (18) est rapidement remplie d'un gaz (H2S ou C02 ou CH4) sous une pression P1 élevée et constante, par exemple 50 bar, pression P1 qui reste ensuite constante pendant toute la durée de l'enregistrement. Le gaz commence alors à diffuser lentement à travers la membrane (11) depuis la cavité amont (18) vers la cavité aval (19). La pression P2 dans la cavité aval (19) reste d'abord nulle pendant un certain temps puis commence à augmenter une fois que les premières molécules de gaz ont traversé la membrane (11).
Les moyens de pilotage de la vanne (22) sont programmés de façon à ouvrir automatiquement cette dernière lorsque la pression P2 atteint un seuil prédéfini Ps, puis à la refermer automatiquement une fois que la cavité aval (19) a été vidée et que le vide partiel initial a été rétabli. Cette opération de mise sous vide est effectuée automatiquement par les moyens d'évacuation et de pompage (23). Une séquence complète d'ouverture de la vanne (22), de dépressurisation de la cavité aval (19) et enfin de fermeture de la vanne (22) dure moins d'une minute, ce qui reste négligeable par rapport à la durée totale de l'enregistrement qui est de l'ordre de plusieurs jours du fait de la lenteur des phénomènes de diffusion.
La première séquence de dépressurisation de la cavité aval ( 9) a lieu à l'instant t1 et correspond au tronçon vertical de courbe (44). Ensuite, la pression P2 recommence à augmenter lentement du fait du phénomène de diffusion, ce qui correspond au tronçon de courbe (45). Ensuite, dès que P2 atteint de nouveau Ps , une deuxième séquence de dépressurisation se déclenche automatiquement à l'instant t2, ce qui correspond au tronçon de courbe (46). Le phénomène se répète ainsi jusqu'à la fin de l'enregistrement, la pression P2 variant selon une courbe en dents de scie alternant des montées lentes (45, 47, 49) et des descentes quasi instantanées (44, 46, 48, 51 ).
Le seuil prédéfini de pression Ps est très inférieur à la pression P1 , Ps étant typiquement égal à 2% de P1. Par suite, puisque P2 est toujours inférieur ou égal à Ps, P2 reste très inférieur à P1 , si bien que la différence de pression P1-P2 reste sensiblement égale à P1. De plus, P1 étant maintenue constante pendant tout l'essai, ii s'en suit que P1-P2 reste elle aussi sensiblement constante. Le coefficient de perméabilité de la membrane 11 dépendant entre autres de P1-P2, il est ainsi possible de régler et de maintenir constant ce paramètre d'influence.
A partir de la courbe (40) de la pression P2, on construit ensuite la courbe cumulée (50) de pression P2c de la façon suivante : t0 < t < t1 => P2c (t) P2 (t)
t1 < t < t2 => P2c(t) Ps + P2(t)
t2 < t < t3 => P2c(t) (2 x Ps) + P2(t)
t3 < t < t4 => P2c(t) (3 x Ps) + P2(t) Et de façon plus générale :
t, < t < ti+1 => P2c(t) = (i x Ps) + P2(t)
L'instant tO = 0 correspond au début de l'essai tandis que les instants t1 , t2, t3, t4, et ainsi de suite correspondent aux séquences successives de dépressurisation de la cavité aval (19).
La pression cumulée P2c est proportionnelle au nombre total n de moles de gaz ayant diffusé à travers la membrane (11) depuis le début de l'essai. En effet, en appliquant la lot des gaz parfaits, on obtient la formule suivante :
1 P 2c V ' 2 R est la constante universelle des gaz parfaits, T est la température du gaz mesurée par le capteur (27), et V2 est le volume occupé par le gaz dans la cavité aval (19) et dans la conduite aval (21 ) lorsque la vanne (22) est fermée. V2 est inférieur au volume interne de la cavité aval (19) du fait de la présence du collecteur (28), lequel réduit le volume disponible pour le gaz. V2 est mesuré préalablement à l'essai. De la sorte, il est possible de déterminer à chaque instant t le nombre total n de moles de gaz ayant diffusé à travers la membrane depuis le début de l'essai.
La courbe cumulée (50) de pression P2c comprend globalement trois parties. En début d'essai, la pression cumulée P2c reste nulle pendant un certain temps. Ensuite, quand les premières molécules de gaz ont fini de traverser la membrane (11), P2c augmente d'abord de façon non linéaire. Enfin, lorsque le régime permanent est atteint, P2c augmente de façon linéaire.
Le coefficient de perméabilité Pe vis à vis d'un des gaz H2S, C02 ou CH4 est déterminé lorsque le régime permanent est atteint. Il est donné par la formule suivante :
An L
Pe = [2]
A est la surface de la membrane (11) à travers laquelle diffuse le gaz, L est l'épaisseur de la membrane (11). P1 et P2 sont respectivement les pressions du gaz en amont et en aval de la membrane (11). Δη est le nombre de moles de gaz ayant traversé la membrane (11) pendant l'intervalle de temps Δί.
Dans le cas présent, la surface à travers laquelle diffuse le gaz est un disque de diamètre D. Par suite :
A = [3]
4
De plus, comme cela a été expliqué plus haut :
P2 « P = PX ~ P^ P, [4] Par ailleurs, en régime permanent, on déduit à partir de l'équation [1 ] que Δη/Δί est proportionnel à AP2c/At:
An AP2C V2
At At RT [5]
ΔΡ2ο/Δί est la pente de la courbe (50) de la pression cumulée P2c, cette pente étant constante en régime permanent.
En combinant les équations [2], [3], [4] et [5], on obtient la formule permettant en pratique de déterminer le coefficient de perméabilité Pe à partir des mesures effectuées avec la cellule :
AR
Pe 2C 4 ,
At D P π RT [6]
La pente AP2c/At peut être déterminée à partir de la courbe (50) de pression cumulée. La pression P1 et la température T sont mesurées par les capteurs (26) et (27). L'épaisseur L de la membrane (11) est connue et a pu être mesurée avant l'essai. D et V2 sont des paramètres liés aux dimensions de la cellule qui sont ont eux connus. R est la constante universelle des gaz parfait, constante elle aussi connue.
R « 8,314472 J.K"1.mol"1 en utilisant les unités SI,
L'unité SI d'un coefficient de perméabilité Pe vis-à-vis d'un gaz du type H2S ou C02 ou CH4 est le mol.s" .m" .Pa~1 mais on préfère généralement utiliser le mol. s"1. cm"1. bar"1 ou le cm3(STP).s"1.cm"1.bar"1 en remplaçant les moles par des cm3(STP), 1 mole de gaz correspondant à un volume de 22414 cm3 dans les conditions STP (Température de 0° C et pression de 1 atm = 1 ,013bar).
La figure 4 représente un dispositif permettant de mesurer le coefficient de perméabilité d'une gaine polymérique vis-à-vis de l'eau. Dans le cas de l'eau, la méthode de mesure est plus simple que dans le cas des gaz H2S, C02 et CH4. La cellule de mesure (30) comporte une enceinte métallique cylindrique (32) de diamètre intérieur D et d'axe sensiblement vertical par rapport au sol. La paroi métallique de l'enceinte (32) s'étend uniquement sur sa face latérale cylindrique (37) et sur sa face supérieure plane (33). La face inférieure de l'enceinte (32) est fermée par un échantillon de gaine (31 ) en forme de membrane plane d'épaisseur L. La membrane (31) est disposée perpendiculairement à l'axe de l'enceinte (32), c'est-à-dire sensiblement parallèlement au sol. Le pourtour de la membrane (31) est attaché à l'enceinte (32) par des moyens démontables, par exemple une bride (36) maintenue par des vis (38, 39) venant serrer la membrane (31) contre la paroi de l'enceinte (32). Des moyens d'étanchéité (35) du type joint torique sont intercalés entre le pourtour de la membrane (31) et l'enceinte (32).
La cavité cylindrique (34) à l'intérieur de l'enceinte a été totalement ou partiellement remplie d'eau (52) avant d'installation de la membrane (31). Ce remplissage d'eau est fait à pression atmosphérique et à température ambiante. En cours d'essai, la pression à l'extérieur de l'enceinte (32) reste égale à la pression atmosphérique.
Le phénomène de perméation étant dépendant de la température, la cellule (30) est équipée de moyens non représentés de chauffage, de régulation et de mesure de la température T de l'eau et de la membrane (31). La pression à l'intérieur de l'enceinte (32) n'est pas régulée et peut varier en fonction de la température T.
L'eau (52) située dans l'enceinte (32) diffuse lentement à travers la membrane (31) ce qui fait diminuer la masse totale de la cellule (30). A l'aide d'une balance de précision non représentée sur la figure 4, on enregistre l'évolution de la masse m de la cellule (30) en fonction du temps t. Le phénomène de diffusion d'eau étant très lent, l'essai dure en pratique de l'ordre de un mois, les mesures de m se succédant avec une périodicité de l'ordre de un jour. En début d'essai, tant que le régime permanent n'a pas été atteint, la masse m varie de façon non linéaire en fonction du temps t. Ensuite, dès que le régime permanent est atteint, m décroît linéairement en fonction de t. La masse Am d'eau diffusant à travers la membrane (31) pendant un intervalle fixé de temps At est donc constante. En régime permanent, la courbe de m en fonction de t a pour pente -(Am/At), cette pente étant négative puisque la masse totale de la cellule diminue. A partir des mesures, il est donc possible de déterminer le débit massique Am/ àt de l'eau diffusant à travers la membrane (31 ) en régime permanent.
Le coefficient de perméabilité Pe' vis-à-vis de l'eau est ensuite donné par la formule suivante :
Am L
Pe [7i
At A 1 J
A est la surface de la membrane (31) à travers laquelle diffuse le gaz. L est l'épaisseur de la membrane (31). Dans le cas présent, la surface à travers laquelle diffuse le gaz est un disque de diamètre D. Par suite :
Figure imgf000022_0001
L'unité SI d'un coefficient de perméabilité Pe' vis-à-vis de i'eau est le kg. s"1. m"1 mais on préfère généralement utiliser le g. s"1. cm"1.
En règle générale, les membranes (11 , 31) utilisées pour mesurer les coefficients de perméabilité vis-à-vis des gaz H2S, C02, CH4 et vis-à-vis de l'eau ont été usinées dans des échantillons prélevés dans la gaine de la conduite en cours de fabrication, après extrusion de celle-ci. Cependant, dans le cas où la gaine est constituée d'un polymère semi cristallin, par exemple du PVDF, les échantillons de membrane (11 , 31) peuvent aussi être réalisés par un procédé de compression moulage sous réserve d'utiliser la même matière première que celle utilisée pour extruder la gaine dont on cherche à mesurer les coefficients de perméabilité. En effet, dans le cas où le polymère est semi cristallin, l'orientation des chaînes moléculaires générées par le procédé d 'extrusion n'a pas d'influence significative sur les coefficients de perméabilité, si bien qu'il est possible de réaliser un échantillon représentatif par compression moulage.
Le diamètre D des membranes (11 , 31) des figures 2 et 4 est typiquement compris entre 50mm et 100mm, par exemple 70mm. L'épaisseur L des membranes (11 , 31) est typiquement comprise entre 0,5mm et 3mm, par exemple de l'ordre de 2mm pour les mesures des coefficients de perméabilité vis à vis du H2S, du C02 ou du CH4, et de l'ordre de 1 mm pour la mesure du coefficient de perméabilité vis-à-vis de l'eau.
Le tableau 1 précise les conditions de mesure des coefficients de perméabilité des gaines permettant de mettre en œuvre la présente invention.
Figure imgf000023_0001
Tableau 1
Nous allons maintenant décrire plusieurs exemples de conduites flexibles réalisées selon la présente invention.
Exemple numéro 1 : Le premier exemple concerne une conduite flexible de diamètre interne
250mm pouvant être immergée jusqu'à 1300m de profondeur et pouvant transporter des hydrocarbures corrosifs de pression 300 bar et de température de l'ordre de 65°C.
Cette conduite comporte essentiellement, de l'intérieur vers l'extérieur, une carcasse interne d'épaisseur 10mm en acier inoxydable, une gaine de pression d'épaisseur 7mm en polyamide 11 (PA 11), une gaine intermédiaire d'épaisseur 3mm en polyéthylène (PE), une voûte de pression d'épaisseur totale 17,5mm , deux nappes croisées d'armures de traction d'épaisseur totale 8mm et une gaine externe en polyéthylène (PE) d'épaisseur 9mm. La voûte de pression est constituée de la superposition de deux couches enroulées à pas court, à savoir d'une part d'une couche agrafée formée à partir d'un fil en forme de « zêta » d'épaisseur 10mm, et d'autre part d'une couche non agrafée formée à partir d'un fil de section rectangulaire et d'épaisseur 7,5mm. La voûte de pression et les armures de traction sont toutes les deux réalisées avec des aciers au carbone présentant une teneur en carbone de l'ordre de 0,35%. La gaine intermédiaire en PE et la gaine de pression en PA1 ne sont pas collées entre elles, la structure étant de type non lié.
Le tableau 2 fournit les différents coefficients de perméabilité du PA11 et du PE, ces coefficients ayant été mesurés avec les moyens expérimentaux décrits plus hauts et dans les conditions de mesure décrites au tableau 1.
Le tableau 2 précise aussi les perméances de la gaine de pression et de la gaine intermédiaire de cette conduite flexible vis-à-vis du H2S, du
C02, du CH4 et de H20. La perméance d'une gaine vis-à-vis d'une molécule est calculée en faisant le ratio entre d'une part le coefficient de perméabilité de cette gaine vis-à-vis de cette molécule et d'autre part l'épaisseur de cette gaine.
Figure imgf000024_0001
Tableau 2 La dernière ligne du tableau 2 permet de comparer molécule par molécule les perméances de la gaine intermédiaire et de la gaine de pression. Dans ce premier exemple, la perméance au H2S de la gaine intermédiaire est égale à 3,53 fois la perméance au H2S de la gaine de pression. De plus, la perméance au CO2 de la gaine intermédiaire est égale à 4,51 fois la perméance au CO2 de la gaine de pression. En outre, la perméance au CH4 de la gaine intermédiaire est égale à 12,72 fois la perméance au CH4 de la gaine de pression. De surcroît, la perméance au H2O de la gaine intermédiaire est égale à 0,21 la perméance au H20 de la gaine de pression, c'est-à-dire qu'elle est quasiment 5 fois plus petite que cette dernière.
Des calculs ont été effectués pour quantifier les phénomènes de diffusion d'eau et de gaz acides à travers la paroi de cette conduite flexible. A cet effet, on a utilisé un logiciel de calcul par éléments finis appelé MoldiTm, logiciel notamment décrit dans un article intitulé « MoldiTm: a Fluid Permeation Model to Calculate the Annulus Composition in Flexible Pipes » écrit par Z. Benjelloum-Dabaghi, JC de Hemptinne, J. Jarrin, J Leroy, JC Aubry, JN Saas et C. Taravel-Condat, et publié en 2002 dans la revue « Oil & Gas Science and Technology » éditée par l'institut IFP Energies Nouvelles.
Ces calculs ont mis en évidence l'effet technique favorable de la gaine intermédiaire en PE. Ainsi, en l'absence de cette gaine intermédiaire, c'est-à- dire selon la pratique antérieure à la présente invention, on constate une diffusion importante d'eau depuis l'intérieur de la conduite vers l'espace annulaire, ainsi qu'un phénomène de condensation de cette dernière dans l'espace annulaire, phénomène qui peut survenir très rapidement en fonction de la composition, de la température et de la pression de l'hydrocarbure, parfois après quelques mois seulement d'exploitation de la conduite. Le même phénomène préjudiciable survient aussi, mais un petit peu plus tard, lorsqu'on augmente l'épaisseur la gaine de pression en PA11 en passant par exemple de 7mm à 10mm.
Or, lorsqu'on ajoute la gaine intermédiaire en PE, on constate que la diffusion d'eau est fortement réduite si bien qu'en pratique le phénomène de condensation d'eau dans l'espace annulaire soit survient beaucoup plus tard en l'absence de drainage de l'annulaire, soit peut même être totalement évité pendant toute la durée de vie de la conduite à l'aide d'un simple drainage de l'espace annulaire. Ce drainage consiste à évacuer vers l'extérieur le contenu de l'espace annulaire à partir d'au moins un des deux embouts d'extrémité de la conduite. Dans le cas d'une conduite montante (« riser ») cette évacuation se fait généralement à l'air libre via l'embout supérieur situé à la surface.
Du fait de l'absence d'eau condensée dans l'espace annulaire, le milieu dans lequel se trouvent la voûte de pression et les armures de traction est nettement moins corrosif si bien que la voûte de pression et les armures peuvent durablement résister aux contraintes auxquels ils sont soumis. De plus, le problème de fatigue corrosion des armures de traction est lui aussi ainsi résolu.
Exemple numéro 2 :
Le deuxième exemple concerne une conduite flexible de diamètre interne 150mm pouvant être immergée jusqu'à 1600m de profondeur et pouvant transporter des hydrocarbures corrosifs de pression 550 bar et de température de l'ordre de 110°C.
Cette conduite comporte essentiellement, de l'intérieur vers l'extérieur, une carcasse interne d'épaisseur 6mm en acier inoxydable, une gaine de pression d'épaisseur 6.5mm en polyfluorure de vinylidène (PVDF), une gaine intermédiaire d'épaisseur 4mm en polyéthylène (PE), une voûte de pression d'épaisseur totale 13.7mm , deux nappes croisées d'armures de traction d'épaisseur totale 8mm et une gaine externe en polyéthylène (PE) d'épaisseur 6mm. La voûte de pression est constituée de la superposition de deux couches enroulées à pas court, à savoir d'une part d'une couche agrafée formée à partir d'un fil en forme de « zêta » d'épaisseur 6.2mm, et d'autre part d'une couche non agrafée formée à partir d'un fil de section rectangulaire et d'épaisseur 7,5mm. La voûte de pression et les armures de traction sont toutes les deux réalisées avec des aciers au carbone présentant une teneur en carbone de l'ordre de 0,35%. La gaine intermédiaire en PE et la gaine de pression en PVDF ne sont pas collées entre elles, la structure étant de type non lié.
Le tableau 3 fournit les différents coefficients de perméabilité du PVDF et du PE, ces coefficients ayant été mesurés avec les moyens expérimentaux décrits plus hauts et dans les conditions de mesure décrites au tableau 1. Le tableau 3 précise aussi les perméances de la gaine de pression et de la gaine intermédiaire de cette conduite flexible.
Figure imgf000027_0001
Tableau 3
Dans ce deuxième exemple, la perméance au H2S de la gaine intermédiaire est égale à 15,02 fois la perméance au H2S de la gaine de pression. De plus, la perméance au C02 de la gaine intermédiaire est égale à 2,58 fois la perméance au C02 de la gaine de pression. En outre, la perméance au CH4 de la gaine intermédiaire est égale à 18,80 fois la perméance au CH4 de la gaine de pression. De surcroît, la perméance au H20 de la gaine intermédiaire est égale à 0,27 la perméance au H20 de la gaine de pression, c'est-à-dire qu'elle est quasiment 4 fois plus petite que cette dernière.
De même que dans l'exemple précédent, des calculs effectués avec le logiciel MoldiTm ont mis en évidence le fait que l'ajout de la gaine intermédiaire en PE permet de limiter suffisamment la diffusion d'eau pour éviter le phénomène de condensation d'eau dans l'espace annulaire et par suite résoudre le problème de fatigue corrosion des armures de traction.

Claims

REVENDICATIONS
1. Conduite tubulaire flexible (1 ) du type non lié destinée au transport de fluides dans le domaine de l'exploitation pétrolière offshore, comportant au moins de l'intérieur vers l'extérieur une gaine de pression (3), une gaine intermédiaire (4), des armures de traction (6, 7) et une gaine externe (8), caractérisée en ce que la perméance à l'eau de ladite gaine intermédiaire (4) est au moins deux fois plus petite que la perméance à l'eau de ladite gaine de pression (3), et en ce que la perméance au sulfure d'hydrogène de ladite gaine intermédiaire (4) est au moins deux fois plus grande que la perméance au sulfure d'hydrogène de ladite gaine de pression (3), et en ce que la perméance au dioxyde de carbone de ladite gaine intermédiaire (4) est au moins deux fois pius grande que la perméance au dioxyde de carbone de ladite gaine de pression (3), et en ce que la perméance au méthane de ladite gaine intermédiaire (4) est au moins deux fois plus grande que la perméance au méthane de ladite gaine de pression (3).
2. Conduite tubulaire flexible (1) selon la revendication 1 , caractérisée en ce la gaine intermédiaire (4) est en contact avec la gaine de pression (3).
3. Conduite tubulaire flexible (1) selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisée en ce que l'épaisseur de la gaine intermédiaire (4) est supérieure ou égale à 3 mm.
4. Conduite tubulaire flexible (1) selon l'un quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que la gaine intermédiaire (4) est constituée de polyéthylène.
5. Conduite tubulaire flexible (1) selon l'un quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que ladite conduite tubulaire flexible (1) comporte une carcasse interne (2) située à l'intérieur de la gaine de pression (3).
6. Conduite tubulaire flexible (1) selon l'un quelconque des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que ladite conduite tubulaire flexible (1) comporte une voûte de pression (5) entourant la gaine de pression (3).
7. Conduite tubulaire flexible (1 ) selon la revendication 6, caractérisée en ce que la voûte de pression (5) entoure la gaine intermédiaire (4).
8. Conduite tubulaire flexible (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisée en ce que la gaine intermédiaire (4) est constituée d'un s polymère ne comportant aucune charge chimiquement active apte à réagir avec l'eau et/ou le sulfure d'hydrogène et/ou le dioxyde de carbone et/ou le méthane.
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