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Patent Searching and Data


Title:
REINFORCEMENT SYSTEM FOR A PIPE AND ASSEMBLY METHOD
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2019/180101
Kind Code:
A1
Abstract:
The system (10) for reinforcing the wall (20) of a pipe comprises a rigid ring (30) and a seal (40), made of a viscoelastic material and forming an expandable wedge, the seal being intended to be interposed between the ring and the wall and maintained in a stressed state by pre-stressing means (50; 60).

Inventors:
FRANCOIS-SAINT-CYR, David (9 rue du Mortier, LES SORINIERES, LES SORINIERES, 44840, FR)
Application Number:
EP2019/057005
Publication Date:
September 26, 2019
Filing Date:
March 20, 2019
Export Citation:
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Assignee:
NAVAL ENERGIES (40-42 rue du Docteur Finlay, PARIS, 75015, FR)
International Classes:
F16L11/115; A01K61/60; E21F1/04; F03G7/05; F16L11/118
Foreign References:
GB2015689A1979-09-12
US20100129160A12010-05-27
JPH0467940A1992-03-03
Other References:
None
Attorney, Agent or Firm:
HABASQUE, Etienne et al. (Lavoix, 2 place d'Estienne d'Orves, PARIS CEDEX 09, 75441, FR)
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Claims:
REVENDICATIONS

1.- Système de renfort (10) de la paroi (20) d’une conduite (1 ), comportant un anneau (30) rigide et un joint (40) en un matériau viscoélastique et constituant un coin expansible, le joint étant destiné à être interposé entre l’anneau et la paroi et maintenu dans un état contraint par des moyens de précontrainte (50 ; 60).

2.- Système de renfort (10) selon la revendication 1 , dans lequel le joint (40) résulte de l’assemblage d’un demi-joint supérieur (41 ) et d’un demi-joint inférieur (42), chaque demi-joint ayant une section sensiblement triangulaire.

3.- Système de renfort (10) selon la revendication 1 , dans lequel le joint (40) est venu de matière et comporte une portion supérieure (141 ) et une portion inférieure (142), chaque portion ayant une section sensiblement triangulaire.

4.- Système de renfort (10) selon la revendication 2 ou la revendication 3, dans lequel une section du joint comporte un premier côté conformé en arc de cercle de manière à être appliqué contre l’anneau et un second côté sensiblement rectiligne de manière à être appliqué contre une surface de la paroi.

5.- Système de renfort (10) selon la revendication 4, dans lequel le second côté du joint comporte un surplus de matière (416, 426).

6.- Système selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel les moyens de précontrainte comportent une pluralité de sangles passant à travers des orifices prévus dans le joint (40) et munies de butées (51 , 52) permettant de maintenir l’application d’une force de précontrainte du joint propre à le déformer radialement.

7.- Système selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel les moyens de précontrainte comportent un moyen de rigidification (60) de la conduite au niveau d’un plan transversal de positionnement de l’anneau (30) et du joint (40), le moyen de rigidification étant placé contre une seconde surface (42) de la paroi (20) opposée à une première surface (41 ) de la paroi contre laquelle est placé le joint.

8.- Système selon la revendication 7, dans lequel le moyen de rigidification est constitué par une ceinture (60) appliquant une force de serrage.

9.- Système selon la revendication 8, dans lequel la ceinture (60) présente des butées (61 , 62, 65) faisant saillies radialement vers le joint (40) et propre à maintenir axialement le joint. 10.- Procédé de montage d’un système de renfort selon l’une quelconque des revendications précédentes, comportant les étapes consistant à :

- munir (210) l’anneau (30) du joint (40) ;

- introduire (230) l’anneau (30) et le joint (40) à l’intérieur de la conduite jusqu’à un point d’implantation ;

- forcer (250) le joint (40) dans l’intervalle entre l’anneau (30) et la paroi (20) et maintenir la contrainte appliquée sur le joint (40) grâce aux moyens de précontrainte (50 ; 60).

Description:
SYSTEME DE RENFORT D’UNE CONDUITE ET PROCEDE DE MONTAGE

La présente invention concerne un système de renfort d’une conduite, notamment une conduite souple.

Une conduite souple est par exemple utilisée pour le pompage d’eau de mer. Elle présente alors avantageusement un diamètre important de quelques mètres.

La réalisation d’une conduite souple destinée à fonctionner en dépression (la colonne d’eau étant aspirée au lieu d’être refoulée dans la conduite), impose l’usage d’anneaux rigides (aussi dénommés « cerces ») permettant de maintenir la section de passage de la conduite, alors que l’écoulement par aspiration produit une dépression ayant tendance à écraser la conduite sur elle-même.

Jusqu’à présent le problème du maintien en position de ces anneaux sur la conduite n’a pas été résolu de manière satisfaisante.

En effet, un jeu de montage doit être réservé entre l'anneau et la paroi de la conduite pour permettre l’introduction de l’anneau dans la conduite, puis son placement dans sa position finale, tout en tenant compte des dispersions de fabrication de ces deux composants.

Cependant, ce jeu de montage n’est pas compatible avec le bon fonctionnement de la conduite et la durée de vie de l’assemblage. En effet, si ce jeu présente une trop grande amplitude, l’anneau ne sera pas convenablement tenu, et s’il présente une amplitude trop faible voire nulle, le contact entre l’anneau et la paroi risque de conduire à une usure prématurée de la conduite.

Il est donc nécessaire de maîtriser ce jeu de montage.

Il est à noter que les tentatives pour réaliser des conduites souples d’eau de mer résistantes à l’environnement se sont soldées par des échecs.

La tenue mécanique des interfaces entre les anneaux et la paroi de la conduite aux conditions environnementales extrêmes (chargement et fatigue) constitue le principal inconvénient s’opposant au développement de cette technologie.

Le but de la présente invention est donc de résoudre ce problème.

Pour cela l’invention a pour objet un système de renfort de la paroi d’une conduite, comportant un anneau rigide et un joint en un matériau viscoélastique et constituant un coin expansible, le joint étant destiné à être interposé entre l’anneau et la paroi et maintenu dans un état contraint par des moyens de précontrainte.

Le système selon l’invention prévoit d’interposer un joint entre un anneau et la paroi. Ce joint intègre une paire de coins expansibles à placer entre l’anneau et la paroi de la conduite. Il permet de rattraper le jeu entre des composants de l’assemblage et de transférer, par adhérence et déformation visco-élastique, les efforts de chargements. Le système selon l’invention permet ainsi de maîtriser le contact entre anneau et paroi. Il évite les mouvements relatifs tout en supprimant l’usure de contact.

Suivant des modes particuliers de réalisation, le système comporte une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prises isolément ou suivant toutes les combinaisons techniquement possibles :

- le joint résulte de l’assemblage d’un demi-joint supérieur et d’un demi-joint inférieur, chaque demi-joint ayant une section sensiblement triangulaire.

- le joint est venu de matière et comporte une portion supérieure et une portion inférieure, chaque portion ayant une section sensiblement triangulaire.

- une section du joint comporte un premier côté conformé en arc de cercle de manière à être appliqué contre l’anneau et un second côté sensiblement rectiligne de manière à être appliqué contre une surface de la paroi.

- le second côté du joint comporte un surplus de matière.

- les moyens de précontrainte comportent une pluralité de sangles passant à travers des orifices prévus dans le joint et munies de butées permettant de maintenir l’application d’une force de précontrainte du joint propre à le déformer radialement.

- les moyens de précontrainte comportent en outre un moyen de rigidification de la conduite au niveau d’un plan transversal de positionnement de l’anneau et du joint, le moyen de rigidification étant placé contre une seconde surface de la paroi opposée à une première surface de la paroi contre laquelle est placé le joint.

- le moyen de rigidification est constitué par une ceinture appliquant une force de serrage.

- la ceinture présente des butées faisant saillies radialement vers le joint et propre à maintenir axialement le joint.

L’invention a également pour objet un procédé de montage du système de renfort précédent, comportant les étapes consistant à : munir l’anneau du joint ; introduire l’anneau et le joint à l’intérieur de la conduite jusqu’à un point d’implantation ; et forcer le joint dans l’intervalle entre l’anneau et la paroi et maintenir la contrainte appliquée sur le joint grâce aux moyens de précontrainte.

L’invention et ses avantages seront mieux compris à la lecture de la description détaillée qui va suivre d’un mode de réalisation particulier, donné uniquement à titre d’exemple non limitatif, cette description étant faite en se référant aux dessins annexés sur lesquels :

- La figure 1 est une coupe axiale d’une conduite équipée d’une pluralité de systèmes de renfort selon l’invention ; - La figure 2 est une vue agrandie de la zone II de la figure 1 représentant une coupe d’un système de renfort de la figure 1 ;

- La figure 3 est une section d’un premier mode de réalisation d’un joint du système de renfort selon l’invention ;

- La figure 4 est une section d’un second mode de réalisation du joint du système de renfort selon l’invention ; et,

- La figure 5 représente schématiquement sous forme de blocs les différentes étapes d’un procédé de montage du système de renfort de la figure 1 .

La figure 1 représente une conduite 1 , équipée de plusieurs systèmes de renfort conformes à un mode de réalisation préféré de l’invention.

La conduite 1 est une conduite cylindrique autour d’un axe A.

La conduite 1 présente une paroi 20 de section transversale circulaire. La paroi 20 possède une épaisseur réduite et présente une surface intérieure 22 et une surface extérieure 24.

De préférence, la conduite 1 présente un diamètre intérieur D1 (évalué sur la surface intérieure 22 de la paroi 20) important, par exemple d’environ 5 mètres.

Dans le mode de réalisation envisagé, la conduite 1 est souple, la paroi étant par exemple réalisée dans un matériau tissé.

Pour renforcer la conduite 1 et lui permettre notamment de supporter les différences de pression, parfois importantes, qui, lors de son utilisation, sont appliquées sur sa paroi 20, la conduite 1 est renforcée par une pluralité de systèmes de renfort 10.

Les systèmes de renfort 10 sont identiques entre eux.

Chaque système de renfort 10 est disposé dans un plan P transversal à l’axe A.

Comme illustré sur la figure 1 , les systèmes de renfort 10 sont placés à égale distance les uns des autres selon l’axe central A de la conduite. En variante, la distance entre deux systèmes de renfort successifs est adaptée, notamment au voisinage d’une portion de la conduite qui sera coudée au cours de l’utilisation de la conduite.

En se référant à la figure 2, un système de renfort 10 est constitué d’un anneau 30 rigide, d’un joint 40 interposé entre l’anneau 30 et la paroi 20 de la conduite, ainsi que de moyens de précontrainte du joint 40 pour solidariser par adhérence l’anneau 30, le joint 40 et la paroi 20.

Les moyens de précontrainte comportent une pluralité de sangles 50.

Les moyens de précontrainte du système de renfort 10 comportent, en outre, un moyen de rigidification de la conduite souple au niveau du plan P de positionnement de l’anneau 30, constitué par une ceinture 60 placée sur la surface de la paroi 20 de la conduite, qui est opposée à la surface contre laquelle le joint 40 est plaqué. Sur la figure 2, l’anneau 30 et le joint 40 étant du côté de la surface intérieure 22 de la conduite, la ceinture 50 est placée sur la surface extérieure 24 de la paroi de la conduite.

La ceinture 50 est placée dans le même plan P que l’anneau 30 et le joint 40, pour appliquer une contreréaction de nature à permettre la mise sous contrainte du joint 40 de manière à générer des forces de frottement de maintien en position de l’anneau 30.

L’anneau 30 possède une section circulaire, dont le rayon extérieur R3 est faible par rapport au diamètre D1 de la conduite 1.

L’anneau 30 est de préférence creux pour en limiter le poids.

L’anneau 30 est en un matériau rigide, ou tout au moins présentant une rigidité permettant de renforcer suffisamment la conduite 1 compte tenu de l’application envisagée. Par exemple, l’anneau est en métal. Il s’agit par exemple d’un tube cintré et dont les extrémités sont soudées l’une à l’autre.

Le diamètre extérieur de l’anneau, D3, évalué dans le plan P, est inférieur au diamètre D1 de la conduite 1 de manière à ménager un jeu. Comme cela deviendra apparent dans la suite de la description, le joint 40 fait que ce jeu peut être choisi supérieur au jeu de montage prévu dans l’état de la technique. Dit autrement, le diamètre extérieur D3 de l’anneau 30 est choisi de manière à garantir qu’il n’y ait pas de point de contact entre l’anneau et la conduite, lorsque l’anneau est centré sur l’axe A. Cela facilite le montage.

Le joint 40 constitue un coin précontraint.

Le joint 40 a pour fonction de rattraper le jeu existant entre l’anneau 30 et la surface intérieure 22 de la paroi 20. L’anneau 30 et la paroi 20 n’ont donc pas à être fabriqués avec des tolérances drastiques. Le joint 40 permet de relâcher les contraintes dimensionnelles de fabrication des différents composants de l’assemblage.

Le joint 40 a également pour fonction de générer, par contact, des frottements suffisants pour maintenir l’anneau 30 en position dans la conduite 1. Ces frottements sont générés d’une part à l’interface entre l’anneau 30 et le joint 40 et d’autre part à l’interface entre la paroi 20 de la conduite et le joint 40.

Pour cela le joint 40 est un joint semi-rigide, réalisé dans un matériau viscoélastique. Par exemple, le joint est réalisé par moulage d’un matériau élastomère. Il présente par exemple une dureté de 84 ShA.

Le joint 40 est alors déformé par compression axiale par les sangles 50 de mise sous contrainte. Le joint 40 est torique autour de l’axe A. Il est de préférence continu et constitué d’un seul tenant. En variante, il est constitué de plusieurs secteurs angulaires disposés régulièrement autour de l’anneau 30.

Dans le mode de réalisation préféré, comme cela est représenté sur la figurer 3, le joint 40 est constitué par l’association, au moyen des sangles 50 de prétention, d’un demi- joint supérieur 41 et d’un demi-joint inférieur 42. Les demi-joints supérieur et inférieur sont symétriques l’un de l’autre par rapport au plan P de montage de l’anneau 30.

La section du demi-joint supérieur 41 présente une forme sensiblement triangulaire de manière à constituer un coin autobloquant entre l’anneau 30 et la paroi 20 de la conduite 1.

Le côté intérieur 412 forme un arc sensiblement complémentaire de la portion de la surface de l’anneau 30 en contact duquel il est appliqué. Le côté intérieur 412 présente ainsi un rayon R4 légèrement inférieur au rayon R3 de l’anneau dans le but de rattraper les écarts dimensionnels de l’anneau et de déformer le matériau du joint afin d’améliorer l’adhérence sur la surface de l’anneau.

Le côté extérieur 414, destiné à être appliqué contre la surface intérieure 22 de la paroi 20 de la conduite, est sensiblement rectiligne.

L’angle a entre les côtés intérieur 412 et extérieur 416 est choisi en fonction de l’adhérence recherchée. Il vaut par exemple 15°.

Le côté extérieur 414 comporte avantageusement une surépaisseur 416. Ce surplus de matière est destiné à être déformé radialement vers l’extérieur lorsque le joint est comprimé par les sangles 50. Lorsque la ceinture 60 est montée, l’effort de serrage de la ceinture va contrecarrer cette déformation radiale, conduisant à une compression du matériau constitutif du joint, et, par conséquent, à un accroissement des forces de contact et donc des forces de frottement, notamment entre le joint 40 et la paroi 20.

Avantageusement encore, le côté axial 418 du demi-joint supérieur 418 est profilé pour faciliter l’écoulement du fluide, circulant dans la conduite 1 , autour de l’ensemble constitué de l’anneau 30 et du joint 40 et pour que le fluide en mouvement ne vienne pas décoller le joint 40 de la paroi 20. Un tel décollement aurait pour conséquence l’introduction de polluants entre le joint et la paroi, causant un vieillissement prématuré de la conduite.

Une description similaire pourrait être faite pour le demi-joint inférieur 42, qui présente un côté intérieur 422, un côté axial 428 et un côté extérieur 424, ce dernier étant de préférence muni d’un surplus de matière 426.

Les demi-joints supérieur 41 et inférieur 42 sont associés par les sangles 50 disposées à intervalles réguliers le long de la périphérie de l’anneau. La sangle 50 passe à travers des orifices traversants 43 et 44 (figure 2) prévus dans chaque demi-joint .

La sangle 50 est munie d’une butée inférieure 52 propre à venir en appui et appliquer une force sur le côté axial 428 du demi-joint inférieur 42. La butée inférieure 52 est par exemple fixée à proximité d’une extrémité inférieure de la sangle 50.

La sangle 50 est munie d’une butée supérieure 51 propre à venir en appui et appliquer une force sur le côté axial 418 du demi-joint supérieur 41.

La butée supérieure 51 est du type à cliquet ou coins de manière à permettre à un opérateur, en tirant sur la sangle 50, d’appliquer une force sur le joint 40 puis de bloquer la sangle en position afin de maintenir cette force pour coincer et contraindre des demi- joints 41 et 42 entre l’anneau 30 et la paroi 20.

La sangle 50 fait avantageusement le tour de l’anneau 30 et son extrémité supérieure libre est attachée par un fermoir à l’extrémité inférieure de la sangle.

La figure 4 représente un second mode de réalisation du joint du système de renfort selon l’invention, dans lequel les demi-joints supérieur et inférieur sont maintenant solidarisés l’un à l’autre par un pont 145 médian. Le joint 140 est ainsi venu de matière. Avantageusement, dans ce mode de réalisation il est envisageable de se passer des sangles, qui sont alors intégrées à la matière.

De préférence, le pont 145 présente une épaisseur réduite de manière à pouvoir être écrasé lors de la mise sous contrainte du joint 140 par la ceinture 60 et permettre le rapprochement et par conséquent le coincement des portions supérieure 141 et inférieure 142 du joint 140 correspondant aux demi-joints supérieur et inférieur du mode de réalisation de la figure 3.

Sur la figure 4, les côtés axiaux du joint 140 ne sont pas profilés contrairement au mode de réalisation de la figure 3.

La ceinture 60 est, en position, un cylindre dont la hauteur H correspond sensiblement à la hauteur du joint 40 ou 140.

La ceinture est par exemple réalisée en un matériau rigide. Deux demies coques sont associées, bride contre bride, au moyen de boulons serrés à une tension équivalente à la surpression maximale supportable par la conduite au cours de son fonctionnement.

La ceinture 60 est de préférence réalisée dans un matériau souple, par exemple un tissu renforcé. Elle comporte une boucle de serrage pour la mise en tension de la ceinture.

La ceinture 60 assure le maintien axial du joint 40 par compression radiale, augmentation des forces de contact et par conséquent des forces de frottement. Avantageusement, la ceinture 60 intègre des butées supérieure 61 , inférieure 62 et médiane 65 pour enserrer axialement chaque demi-joint 41 et 42 et permettre l’application, lors du serrage de la ceinture, de forces de compression radiales, en évitant les déformations axiales.

D’un point de vue mécanique, la ceinture 60 supprime les sollicitations de la paroi 20 qui est prise en « sandwich » entre le joint 40 et la ceinture 60. La ceinture 60 distribue le cisaillement du matériau constitutif de la paroi 20, grâce notamment à l’augmentation de la pression de contact et aux butées. La ceinture 60 permet de supprimer la DRC (déformation résiduelle après compression) liée au vieillissement des matériaux polymères, notamment celui des joints.

Par ailleurs, les butées de la ceinture 60 permettent de protéger le joint de la pollution en cas de surpression dans la conduite 1 , en évitant un décollement du joint qui serait de nature à permettre l’introduction de polluants à l’interface entre le joint et la paroi de la conduite.

Le procédé de montage 200 est représenté schématiquement à la figure 5.

A l’étape 210, avant d’être introduit dans la conduite 1 , l’anneau 30 est muni des deux demi-joints 41 et 42. Ils sont maintenus par les sangles 50. Ils sont disposés en retrait du plan médian P de l’anneau 30 afin de préserver un jeu permettant le montage de l’anneau sur la paroi de la conduite.

A l’étape 220, la paroi 20 de la conduite 1 est déformée pour présenter une section en ellipse, dont le grand axe possède une longueur plus grande que le diamètre D3 de l’anneau 30.

A l’étape 230, l’anneau 30 est introduit à l’intérieur de la conduite déformée. Il est introduit avec une certaine assiette par rapport à l’axe A pour augmenter le jeu avec la paroi et pouvoir facilement le déplacer jusqu’à son point d’implantation dans la conduite.

A l’étape 240, l’anneau est alors redressé par pivotement pour être placé dans un plan P transversal à l’axe A de la conduite 1 , celle-ci ayant retrouvé sa conformation circulaire. Un jeu existe entre l’anneau 30 et la paroi 20 de la conduite.

A l’étape 250, une fois l’anneau dans sa position finale de montage, les demi-joints inférieur 42 et supérieur 41 sont mis en place par un opérateur à l’aide des sangles 50 et/ou par l’emploi d’une pince hydraulique en forme de « C », de manière à forcer le joint 40 dans l’intervalle entre l’anneau 30 et la paroi 20.

Chaque demi-joint est déplacé pour venir en contact de l’anneau 30 et de la surface intérieure 22 de la conduite et ainsi rattraper le jeu. Puis, chaque demi-joint est déformé de manière viscoélastique par écrasement sensiblement axial. Cela cause une déformation radiale vers l’extérieur du joint, qui entraîne également la paroi 20 vers l’extérieur. La mise en position de la butée supérieure 51 de chacune des sangles 50 permet de maintenir cette précontrainte.

La précontrainte appliquée est choisie pour obtenir une adhérence du joint au niveau de ses deux interfaces qui soit adaptée à la pression hydrostatique dans la conduite. Avantageusement, une réserve d’adhérence est réalisée par le ou les surplus de matière 416, 426 prévu(s) sur le côté extérieur du joint 40.

Dans le cas où le joint est venu de matière (cas du joint 140 de la figure 4) et où la paroi est suffisamment souple pour admettre une déformation radiale lors du pivotement de l’anneau avec son joint (jeu nul après pivotement), l’étape 250 pourra être supprimée.

A l’étape 260, la ceinture 60 est finalement disposée en vis-à-vis du joint 40 sur la surface extérieure 24 de la paroi 20 de la conduite. La ceinture 60 est ensuite tendue pour générer un effort de serrage assurant le maintien opérationnel de l’anneau et du joint contre la paroi.

Cet assemblage est de préférence hydraulique et automatique afin de limiter l’intervention humaine.

D’autres modes de réalisation du système de renfort sont possibles, en particulier en disposant l’anneau à l’extérieur de la conduite et la ceinture à l’intérieur de la conduite, ou encore en se dispensant de l’utilisation d’une ceinture de rigidification.

L’homme du métier constatera que le joint supprime le jeu nécessaire au placement en position de l’anneau à l’intérieur de la conduite. Il rattrape les écarts dimensionnels de fabrication des composants du système de renfort.

L’effet de coin du joint garantit l’adhérence par frottement d’une part à l’anneau et d’autre part à la paroi. Selon cet effet, une augmentation de l’effort axial entraîne une augmentation de l’effort radial.

Par ailleurs, le joint permet une meilleure répartition des efforts sur l’anneau et donc une meilleure tenue au flambement de l’anneau.

Le joint absorbe les mouvements de l’anneau et seule une fraction de l’énergie correspondante est transmise à la paroi de la conduite. Cela améliore la longévité de la paroi.

Les sangles de pré-tension assurent la mise en place par déformation viscoélastique du joint.

Par ailleurs elles solidarisent le demi-joint supérieur et le demi-joint inférieur dans le premier mode de réalisation.

Des essais ont permis de valider l’utilisation d’un joint fonctionnant sur le principe du coin expansible et de confirmer l’intérêt de cette solution par rapport notamment à une solution par adhérence simple, c’est-à-dire avec un joint cylindrique d’épaisseur constante, interposé entre l’anneau et la conduite.

Pour un effort de serrage à l’arrêt de 750 N, la perte d’adhérence intervient au- dessus de 2700 N avec joint formant coin au lieu de 375 N avec joint cylindrique (pour un coefficient d’adhérence tg = 0,5).

En moyenne, un coefficient de 3 à 4 entre l’effort de serrage de la ceinture (force radiale) et la tenue axiale de l’anneau est obtenu.

La solution proposée est à bas coût puisqu’elle associe de préférence une paroi souple à base de tissu, un anneau du type tube cintré soudé et un joint en élastomère moulé.