FR3049038A1 - DOUBLE ENVELOPE PIPE FOR LARGE DEPTHS - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne un tuyau double enveloppe destiné au transport d'hydrocarbures du type comprenant un tube interne (3a, 3b) et un tube externe (4a, 4b) dont l'espace annulaire (5a, 5b) est pourvu d'un matériau isolant thermique. Cet espace annulaire est fermé en rabattant et soudant le tuyau externe au tuyau interne. L'extrémité libre de chaque tube interne (3a, 3b) est munie d'une surépaisseur (6a, 6b) de matière sur une longueur significative afin d'augmenter la résistance en traction au niveau de la zone de raccordement au tuyau suivant. Application à la réalisation de tuyau de grande longueur.The invention relates to a double-walled hose for the transport of hydrocarbons of the type comprising an inner tube (3a, 3b) and an outer tube (4a, 4b) whose annular space (5a, 5b) is provided with a material thermal insulator. This annular space is closed by folding and welding the outer pipe to the inner pipe. The free end of each inner tube (3a, 3b) is provided with an extra thickness (6a, 6b) of material over a significant length in order to increase the tensile strength at the connection zone to the next pipe. Application to the realization of long pipe.
Description
Le secteur technique de la présente invention est celui des canalisations double enveloppe destinées au transport du pétrole brut.The technical sector of the present invention is that of double-jacketed pipes intended for the transport of crude oil.
Dans le domaine de la production pétrolière, il est bien connu d'effectuer l'installation des canalisations au fond de la mer suivant un procédé communément appelé pose en J depuis un navire sur lequel des tronçons de canalisations sont stockés. Ces tronçons sont soudés les uns autres au fur et à mesure de la pose des canalisations.In the field of oil production, it is well known to install pipelines at the bottom of the sea by a process commonly called J pose from a ship on which sections of pipes are stored. These sections are welded together as the laying of the pipes.
Une technique particulière consiste à utiliser des tronçons à annulaire étanche (brevet FR-2746891). Chaque tronçon se présente se présente sous la forme d'une double enveloppe entre lesquelles un matériau isolant thermique est disposé et dont le tube interne est saillant par rapport au tube externe dont les extrémités sont rabattues sur le tube interne. Entre ces deux tubes, du matériau isolant thermique est disposé et les deux extrémités du tuyau externe sont soudées au tuyau interne pour réaliser un espace annulaire étanche. Un tel tronçon fait typiquement 12, 24 48 voire 60m de long, et est réalisé par une fabrication à terre.A particular technique consists in using sealed annular sections (patent FR-2746891). Each section is in the form of a double envelope between which a thermal insulating material is disposed and whose inner tube is salient with respect to the outer tube whose ends are folded on the inner tube. Between these two tubes, thermal insulating material is disposed and the two ends of the outer pipe are welded to the inner pipe to provide a sealed annular space. Such a section is typically 12, 24 48 or even 60m long, and is made by manufacturing on land.
Lors de l'assemblage offshore pour réaliser des pipelines multi-kilométriques, les tuyaux intérieurs de deux tronçons successifs sont réunis par soudure. Après soudure de deux tubes internes, l'espace libre où le tube intérieur est saillant par rapport au tube extérieur est calorifugé par installation d'une manchette thermiquement isolante autour de cette zone, une technique bien connue dans ce secteur technique.During offshore assembly to make multi-kilometer pipelines, the inner pipes of two successive sections are joined by welding. After welding of two internal tubes, the free space where the inner tube is salient with respect to the outer tube is insulated by installing a thermally insulating sleeve around this area, a technique well known in this technical sector.
Ainsi le brevet FR-2805187 décrit un dispositif de protection de la soudure circonférentielle de deux tubes en prévoyant un moyen de rigidification sous la forme d'une manchette disposée au droit de la soudure. Cette manchette est fixée au niveau de cette soudure à l'aide d'un matériau durcissant injecté entre cette manchette et la jonction des deux tubes. Cette façon de faire permet de compléter cette jonction de manière simple et efficace.Thus FR-2805187 discloses a device for protecting the circumferential welding of two tubes by providing a stiffening means in the form of a sleeve disposed at the weld. This sleeve is fixed at the level of this weld using a hardening material injected between this sleeve and the junction of the two tubes. This way of doing it makes it possible to complete this junction in a simple and effective way.
Se pose alors le problème de la conservation de l'intégrité de la jonction entre deux tubes consécutifs surtout lors de la descente de la canalisation au fond de la mer dont la profondeur peut dépasser 2000 m. Etant donné l'absence du tube externe dans cette zone de soudure, le poids la ligne double enveloppe doit être soutenu par le seul tuyau intérieur dans cette zone, ce qui peut mener à des contraintes axiales dépassant les capacités des aciers employés. Par ailleurs, compte tenu des poids élevés de ces lignes suspendues aux bateaux de pose, il est important que toute solution technique n'augmente pas significativement le poids du pipeline.Then there is the problem of preserving the integrity of the junction between two consecutive tubes, especially when descending the pipe at the bottom of the sea whose depth may exceed 2000 m. Given the absence of the outer tube in this weld area, the weight of the double envelope line must be supported by the only inner pipe in this area, which can lead to axial stresses exceeding the capabilities of the steels employed. Moreover, given the high weight of these lines hanging from the laying boats, it is important that any technical solution does not significantly increase the weight of the pipeline.
La présente invention présente un moyen de réduire les contraintes au droit de la soudure offshore avec une pénalité pondérale minimale. L'invention a donc pour objet un tuyau double enveloppe destiné au transport d'hydrocarbures du type comprenant un tube interne et un tube externe dont l'espace annulaire est pourvu d'un matériau isolant thermique, caractérisé en ce que l'extrémité libre tube interne est munie d'une surépaisseur de matière sur une longueur significative afin d'augmenter la résistance à la traction au niveau de la zone soudée.The present invention presents a way of reducing stresses to the right of offshore welding with a minimum weight penalty. The subject of the invention is therefore a double-walled hose intended for the transport of hydrocarbons of the type comprising an inner tube and an outer tube whose annular space is provided with a thermal insulating material, characterized in that the free tube end internal is provided with a thickness of material over a significant length to increase the tensile strength at the welded zone.
Selon une caractéristique de l'invention, l'extrémité libre du tube externe est rabattue sur la surépaisseur.According to a characteristic of the invention, the free end of the outer tube is folded over the extra thickness.
Selon une autre caractéristique de l'invention, la surépaisseur de chaque tube interne est d'une longueur de l'ordre de 300 à 400 mm.According to another characteristic of the invention, the extra thickness of each inner tube is of a length of the order of 300 to 400 mm.
Selon encore une autre caractéristique, la surépaisseur de chaque tube interne est calculée pour limiter la contrainte axiale au droit de la soudure lors de l'installation verticale du tuyau.According to yet another characteristic, the extra thickness of each inner tube is calculated to limit the axial stress to the weld right during the vertical installation of the pipe.
Selon encore une autre caractéristique, la surépaisseur au niveau de la zone de saillance est de 2 à 30 mm, dépendant de la profondeur d'eau et des caractéristiques géométriques (diamètre, épaisseur) du tuyau.According to yet another characteristic, the extra thickness at the saliency zone is from 2 to 30 mm, depending on the depth of water and the geometric characteristics (diameter, thickness) of the pipe.
Un tout premier avantage de la présente invention réside dans 1'augmentation de la résistance en traction au droit de la soudure offshore du tuyau double enveloppe.A first advantage of the present invention lies in the increase of the tensile strength at the offshore weld of the double jacket pipe.
Un autre avantage encore réside dans le fait que le tube interne avec son extrémité épaissie peut être fabriqué directement en fonderie avec ses extrémités épaissies. La réalisation de tels tuyaux peut être faite par des sociétés comme Vallourec ou Tenaris qui les fournissent en général à des fins de forage (les extrémités sont usinées pour créer un filetage permettant le raccordement entre tubes successifs par vissage) ou d'optimisation de l'intégrité face à des sollicitations alternées cycliques (typiquement pour des risers reliant le fond marin avec la surface et soumis à l'action des vagues et courants). Ces épaississements ne sont pour réaliser un objectif thermique tout en réduisant la contrainte axiale subie lors de l'installation verticale, contrairement à la solution proposée. D'autres caractéristiques, avantages et détails de l'invention seront mieux compris à la lecture du complément de description qui va suivre, de modes de réalisation donnés à titre d'exemple en relation avec des dessins sur lesquels : - la figure 1 représente en coupe deux tronçons partiels de tuyau double enveloppe, - la figure 2 représente en coupe deux tronçons de tuyau double enveloppe après assemblage, la figure 3 illustre la jonction isolée de deux tronçons de tubes, - la figure 4 représente la variation de la surépaisseur d'un tube de diamètre interne 143 mm en fonction de la profondeur d'immersion, et - la figure 5 représente, pour ce même tuyau de 143mm de diamètre interne, d'une part la variation de la contrainte axiale dans le tuyau interne, lors de son installation à partir d'un vaisseau de pose, si l'on n'introduit pas de surépaisseur (courbe 2) et d'autre part la limitation de la contrainte à 350 MPa si l'on accroît localement l'épaisseur du tuyau interne selon la courbe présentée dans la figure 4 (courbe 1).Yet another advantage is that the inner tube with its thickened end can be manufactured directly in the foundry with its thickened ends. The realization of such pipes can be made by companies such as Vallourec or Tenaris which provide them generally for drilling purposes (the ends are machined to create a thread allowing the connection between successive tubes by screwing) or optimization of the integrity against cyclic alternating stresses (typically for risers connecting the seabed with the surface and subjected to the action of waves and currents). These thickenings are not to achieve a thermal objective while reducing the axial stress experienced during the vertical installation, unlike the proposed solution. Other features, advantages and details of the invention will be better understood on reading the additional description which will follow, embodiments given by way of example in relation to drawings in which: FIG. two sectional sections of double-walled pipe are cut off; FIG. 2 is a sectional view of two sections of double-walled pipe after assembly; FIG. 3 illustrates the isolated junction of two sections of pipe; FIG. 4 represents the variation of the thickness of the pipe; a tube of internal diameter 143 mm depending on the depth of immersion, and - Figure 5 shows, for the same pipe of 143mm internal diameter, on the one hand the variation of the axial stress in the inner pipe, when its installation from a laying vessel, if one does not introduce extra thickness (curve 2) and on the other hand the limitation of the stress to 350 MPa if one increases locally the thickness of the pipe internal curve according to the curve shown in Figure 4 (curve 1).
Comme représenté sur la figure 1, les tronçons 1 et 2 doivent être raccordés en vue de constituer un tuyau double enveloppe. Chacun des tronçons comprend un tube interne 3a ou 3b et un tube externe 4a ou 4b. Ces deux tubes délimitent un espace interne 5a ou 5b destiné à recevoir un matériau isolant thermique selon une réalisation classique.As shown in Figure 1, the sections 1 and 2 must be connected to form a double jacket pipe. Each of the sections comprises an inner tube 3a or 3b and an outer tube 4a or 4b. These two tubes delimit an internal space 5a or 5b intended to receive a thermal insulating material according to a conventional embodiment.
On voit qu'au niveau de la zone de jonction, l'extrémité libre du tube interne 3a ou 3b comporte une surépaisseur de matière 6a ou 6b.It can be seen that at the junction zone, the free end of the inner tube 3a or 3b has a thickness of material 6a or 6b.
Cette surépaisseur 6a ou 6b est réalisée sur une longueur déterminée de l'ordre de 300 à 400 mm et suivant une épaisseur calculée pour limiter les contraintes axiales dans cette zone à un niveau acceptable. Cette longueur permet d'installer confortablement tous les équipements de soudure, de contrôle de celles-ci et permet une découpe de réparation éventuelle ; moyennant quelques aménagements, elle peut être réduite à 150-250 mm.This excess thickness 6a or 6b is made over a determined length of the order of 300 to 400 mm and a thickness calculated to limit the axial stresses in this area to an acceptable level. This length makes it possible to comfortably install all the welding equipment, to control it and to allow a possible repair cut; with some adjustments, it can be reduced to 150-250 mm.
Enfin, on voit que l'extrémité libre du tube externe 4a ou 4b est rabattue en forme de tronc de cône sur la surépaisseur respectivement 6a ou 6b. On notera que cette adjonction de surépaisseur ne pénalise pratiquement pas le tuyau double enveloppe sur le plan de sa masse : en effet, chaque tronçon fait 12 à 60 m de long et n'est épaissi qu'à ses deux extrémités, soit 600 à 800 mm, c'est-à-dire moins de 7% de sa longueur dans la réalisation la moins favorable et 2 à 4% dans le cas plus fréquent de 24 ou 48 m.Finally, it can be seen that the free end of the outer tube 4a or 4b is folded in the form of a truncated cone on the extra thickness respectively 6a or 6b. It should be noted that this addition of extra thickness hardly penalizes the double-wall pipe in terms of its mass: indeed, each section is 12 to 60 m long and is only thickened at its two ends, ie 600 to 800 mm, that is to say less than 7% of its length in the least favorable embodiment and 2 to 4% in the more frequent case of 24 or 48 m.
Sur la figure 2, on a représenté l'assemblage des tronçons 1 et 2 après soudure des surépaisseurs 6a et 6b et des différentes enveloppes. On obtient une continuité de la jonction des deux tubes internes 3a et 3b. Le tuyau double enveloppe ainsi obtenu est complété par une manchette, elle-même en double enveloppe constituée des éléments 7 et 8, réalisant un logement permettant de placer un isolant thermique dans l'espace annulaire.In Figure 2, there is shown the assembly of sections 1 and 2 after welding of the extra thicknesses 6a and 6b and different envelopes. We obtain a continuity of the junction of the two inner tubes 3a and 3b. The double envelope pipe thus obtained is completed by a sleeve, itself in a double envelope consisting of elements 7 and 8, providing a housing for placing a thermal insulation in the annular space.
On pourra adopter une surépaisseur sensiblement comprise entre 3 et 30 mm et une longueur l'ordre de 150 à 700 mm. L'épaisseur de la surépaisseur 6 sera déterminée en fonction de la contrainte s'exerçant au niveau de la zone de raccordement du tuyau interne pour des grandes profondeurs d'immersion du tuyau double enveloppe. Sur la figure, la longueur d2 représente la longueur de saillance du tube intérieur 3 par rapport au tube extérieur 4 et la longueur dl est la longueur épaissie du tube intérieur 3.It will be possible to adopt a thickening substantially between 3 and 30 mm and a length in the order of 150 to 700 mm. The thickness of the excess thickness 6 will be determined according to the stress exerted at the connection zone of the inner pipe for large immersion depths of the double-walled pipe. In the figure, the length d2 represents the length of saliency of the inner tube 3 with respect to the outer tube 4 and the length d1 is the thickened length of the inner tube 3.
Lors de l'installation du tuyau et surtout lorsque ce tuyau est position verticale, les contraintes s'exercent surtout au niveau de la longueur de saillance d2 du tube interne 3, puisque le tube externe 4 est absent à ce niveau.During the installation of the pipe and especially when this pipe is vertical position, the stresses are exerted especially on the level of saliency d2 of the inner tube 3, since the outer tube 4 is absent at this level.
Sur la figure 3, on a représenté en demi coupe la réalisation finale de la jonction des tronçons 1 et 2 où on a introduit un isolant thermique dans les différents espaces libres. Ainsi, les annulaires entre les tubes 3a et 4a et également 3b et 4b ont été équipés d'un isolant thermique 9a ou 9b. On voit qu'un espace libre a été laissé entre l'isolant 9 et le tube externe 4a ou 4b. L'espace libre entre les manchettes 7 et 8 est également pourvu d'une couche de matériau isolant thermique L'espace libre entre la manchette 7 et la jonction des deux tubes internes 3a et 3b est rempli à l'aide d'une résine thermodurcissable 10 que l'on injecte après réalisation de la soudure offshore.FIG. 3 shows in half section the final embodiment of the junction of the sections 1 and 2 where a thermal insulator has been introduced into the different free spaces. Thus, the annulars between the tubes 3a and 4a and also 3b and 4b have been equipped with a thermal insulation 9a or 9b. It can be seen that a free space has been left between the insulator 9 and the outer tube 4a or 4b. The free space between the sleeves 7 and 8 is also provided with a layer of thermal insulating material The free space between the sleeve 7 and the junction of the two inner tubes 3a and 3b is filled with a thermosetting resin 10 that is injected after completion of the offshore welding.
Ainsi, un tuyau double enveloppe conforme à l'invention peut être utilisé à des profondeurs d'eau de plus de 4 000 m.Thus, a double jacket pipe according to the invention can be used at water depths of more than 4000 m.
La courbe selon la figure 4 montre la surépaisseur à adopter en fonction de la profondeur d'immersion pour un tube de 143 mm de diamètre interne, le tube interne étant par ailleurs dimensionné par la pression du fluide qu'il transporte et le tube externe par la pression hydrostatique à la profondeur d'immersion. On voit que la valeur de la surépaisseur est en croissance régulière. Ainsi, pour une profondeur de 2000 m la valeur de l'épaisseur du tube est de l'ordre de 2 mm alors que pour une profondeur de 4000 m la surépaisseur du tube doit être de l'ordre de 23 mm ce qui est compatible avec les outils de fabrication existant chez les tubistes. Il est évident pour l'homme de l'art que d'autres modes de réalisation de cette surépaisseur sont possibles, par exemple en raboutant pas soudage une longueur courte de tuyau à l'épaisseur voulue.The curve according to FIG. 4 shows the extra thickness to be adopted as a function of the depth of immersion for a tube 143 mm in internal diameter, the internal tube being further dimensioned by the pressure of the fluid which it carries and the outer tube by the hydrostatic pressure at the immersion depth. We see that the value of the overthickness is growing steadily. Thus, for a depth of 2000 m the value of the thickness of the tube is of the order of 2 mm whereas for a depth of 4000 m the extra thickness of the tube must be of the order of 23 mm which is compatible with the existing manufacturing tools for tubers. It is obvious to those skilled in the art that other embodiments of this extra thickness are possible, for example by not welding a short length of pipe to the desired thickness.
Les courbes selon la figure 5 représentent la contrainte axiale d'un tube en fonction de la profondeur. On voit que pour un tube 3 de 143 mm de diamètre interne muni d'une surépaisseur 6 comme représenté sur la figure 4, la contrainte axiale peut être maintenue à moins de 350 MPa, quelle que soit la profondeur comme le montre la courbe 1. On obtient donc une dilution des contraintes au niveau de la surépaisseur 6. Par contre, la courbe 2 illustre la contrainte pour le même tube mais sans surépaisseur en fonction de la profondeur d'immersion. On voit que la contrainte axiale augmente rapidement pour atteindre des valeurs déraisonnables, de 900 MPa à une profondeur de 4000 m, bien au-delà d'une limite élastique classique de ces aciers comprise entre 400 et 500 MPa.The curves according to FIG. 5 represent the axial stress of a tube as a function of depth. We see that for a tube 3 of 143 mm internal diameter provided with an extra thickness 6 as shown in Figure 4, the axial stress can be maintained at less than 350 MPa, regardless of the depth as shown in curve 1. Thus, a dilution of the stresses is obtained at the excess thickness 6. On the other hand, the curve 2 illustrates the stress for the same tube but without extra thickness as a function of the depth of immersion. It can be seen that the axial stress increases rapidly to reach unreasonable values of 900 MPa at a depth of 4000 m, well beyond a conventional elastic limit of these steels between 400 and 500 MPa.
Ainsi, la modification proposée selon l'invention consistant à prévoir une surépaisseur au niveau de la zone de saillance 6 assure une limitation de la tension axiale lors de l'installation verticale du tuyau double enveloppe en la maintenant autour de 350 MPa pour toutes les profondeurs d'immersion.Thus, the modification proposed according to the invention of providing an extra thickness at the salient zone 6 ensures a limitation of the axial tension during the vertical installation of the double jacket pipe by maintaining it around 350 MPa for all the depths. immersion.
Il va de soi que ce principe est évidemment applicable à des tuyaux d'autres diamètres et matériaux.It goes without saying that this principle is obviously applicable to pipes of other diameters and materials.
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| FR3049038B1 (en) | 2018-04-20 |
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