Tuyau composite thermoplastique en plein essor en haute mer

Visitez les pages d'actualités des sites Web Airborne Oil &Gas (AOG, IJmuiden, Pays-Bas) et Magma Global Ltd. (Portsmouth, Royaume-Uni) et vous aurez l'impression que 2018 a été une année charnière pour ces deux principaux fabricants de thermoplastiques tuyau composite (TCP) pour les applications en eaux profondes. Mais ne soyez pas surpris si les nouvelles de 2019 sur ce marché en plein essor des composites éclipsent celles de l'année précédente.

Quelques réalisations notables de 2018 pour AOG :En juin, la société a démarré un programme de qualification de risers en fibre de carbone/difluorure de polyvinylidène (PVDF) (tuyaux reliant des systèmes de production sous-marins et des navires de production de surface) pour un opérateur majeur en Amérique du Sud. AOG a travaillé en collaboration avec Subsea 7 (Luxembourg), un entrepreneur majeur d'installations offshore, sur ce projet. En août, après un vaste programme de qualification de cinq ans suivi de la première installation pilote au monde sur un service d'hydrocarbures (puits de forage complet) d'une ligne d'écoulement en fibre de verre/polyéthylène haute densité (PEHD) (tuyau reliant la tête de puits à l'équipement de traitement ultérieur ), Petronas (Kuala Lumpur, Malaisie) a reconnu que la ligne de flux TCP d'AOG avait atteint le niveau de préparation technologique 6 (vérification du prototype bêta). "Et nous prévoyons d'atteindre TRL 7 [pilot system démonstration] en 2019", rapporte Martin Van Onna, AOG CCO. Parallèlement à ces qualifications et programmes pilotes réussis, AOG fait état d'un bilan commercial croissant, en particulier avec sa fibre de verre/PEHD TCP.

Quant à Magma, 2018 a été tout aussi mouvementée. En mars, Tullow Ghana a attribué un contrat à Magma pour une ligne d'écoulement de 2,5 kilomètres pour son développement des champs offshore de Tweneboa, Enyenra, Ntomme (TEN). En mai, en collaboration avec Ocyan (Rio de Janeiro, Brésil), une société de services offshore, Magma a terminé et reçu la validation par un tiers d'une conception de Riser hybride composite multi-bore (CMHR) qui utilise la fibre de carbone/polyétheréthercétone (PEEK) de Magma m -tuyau. Magma et Ocyan soumissionnent le CMHR pour des développements en eaux profondes au Brésil. Magma a annoncé en août qu'une initiative conjointe avec Equinor (Stavanger, Norvège) avait obtenu un financement de 10,5 millions de livres sterling d'Innovate UK, une source de financement gouvernementale, pour qualifier une solution entièrement Magma pour les jumpers (tuyaux qui relient les conduites d'écoulement et/ou les installations sous-marines ). Enfin, en novembre, l'Energy Institute (Londres, Royaume-Uni) a décerné son Prix de l'innovation 2018 à Magma pour son tuyau m, citant la capacité du tuyau à résoudre les défis de la production de pétrole et de gaz dans les réserves en eau profonde, ainsi que sa capacité à être réutilisé.

En 2019, AOG et Magma ont de grands projets pour augmenter leur capacité de production car ils desservent le marché florissant des composites. "Surtout au second semestre de l'année dernière", affirme Van Onna, "la demande augmente si vite que nous devons vraiment nous développer très, très rapidement."

Appel TCP

L'histoire relativement brève du déploiement de TCP dans les applications pétrolières et gazières en eaux profondes souligne cette croissance rapide. Notez que le TCP est distinct du tuyau thermoplastique renforcé - RTP - qui existe depuis les années 1990. RTP se compose d'une doublure thermoplastique recouverte de non lié composites d'aramide ou de fibre de verre, puis enduits de thermoplastique. Il est utilisé dans des applications à basse pression et à température moins exigeante par rapport au TCP entièrement lié. Bien que le TCP se compose d'un ensemble similaire de matériaux, il est adapté à des pressions plus élevées et à une plus grande plage de températures pour deux raisons. Premièrement, certains TCP utilisent des résines thermoplastiques plus performantes, telles que le PEEK, et/ou des renforts plus résistants comme la fibre de carbone. Deuxièmement, les couches TCP sont liées les uns aux autres grâce à un processus de fabrication par fusion, qui offre des propriétés de performance plus élevées que le RTP fabriqué à partir des mêmes matériaux.

Il y a seulement 11 ans, raconte Van Onna, non TCP avait été déployé dans des applications en eaux profondes. Puis, en 2009, AOG a développé et déployé la première ligne descendante TCP offshore (utilisée pour pomper des fluides jusqu'au fond marin pour injection dans des pipelines sous-marins ou des têtes de puits sous-marins). La société a construit un site de production de TCP à grande échelle en 2012. En 2018, AOG avait augmenté sa capacité de production pour inclure trois lignes de production ainsi qu'une capacité de fabrication comprenant de la fibre de verre/PEHD pour des applications jusqu'à 65˚C/150˚F et 5 ksi; fibre de carbone/polyamide 12 pour des applications jusqu'à 80˚C/180˚F et 10 ksi; et fibre de carbone/PVDF pour des applications jusqu'à 121˚C/250˚F et 15 ksi.

Entre-temps, Magma a été fondée en 2009 et a commencé à déployer son m-pipe en 2012, en ouvrant son site de production à Portsmouth, au Royaume-Uni en 2016. Lors de la célébration du cinquième anniversaire de l'entreprise, le PDG Martin Jones a déclaré :« L'industrie aéronautique est un bon précédent où l'utilisation de la fibre de carbone est désormais la norme. C'est également le cas dans le pétrole et le gaz. Nous sommes actuellement engagés avec tous les principaux opérateurs. »

L'adoption croissante du TCP découle de ses nombreux avantages économiques par rapport aux tuyaux conventionnels. Par exemple, malgré le coût plus élevé des matériaux, la fibre de carbone/PVDF la plus performante d'AOG dans une application de ligne d'écoulement génère une économie de 30 % sur le coût d'installation par rapport aux lignes d'écoulement en métal. De même, une étude commerciale de Calash (Londres, Royaume-Uni) sur le m-pipe par rapport à l'acier dans une application de colonne montante décalée à une seule ligne (SLOR) a estimé une économie de coûts telle qu'installée de 11 %. Ces économies résultent de plusieurs propriétés TCP qui rendent le transport, la préparation (par exemple, les tuyaux de terminaison avec des raccords d'extrémité) et l'installation considérablement moins coûteux que d'effectuer ces tâches avec des tuyaux fabriqués à partir d'autres matériaux.

Comme c'est souvent le cas avec les composites, la première de ces propriétés est la légèreté — le TCP ne pèse qu'un dixième du poids du tuyau en acier — mais la combinaison de la légèreté et de la flexibilité du tuyau constitue un avantage essentiel :le tuyau peut être enroulé sur des tambours et des palettes sous-marines relativement petits. Pour cette raison, les petits navires peuvent transporter et installer de longues portées de TCP - une aubaine logistique et économique dans des sites offshore plus éloignés (par exemple, au large de la côte ouest-africaine), où le déploiement de navires de transport lourd conventionnels est une proposition coûteuse. Un autre avantage économique créé par la capacité de fusion de TCP est que le tuyau peut être terminé et les raccords d'extrémité installés sur place.

TCP offre une combinaison de résistance élevée, de flexibilité et de facilité de terminaison, ce qui lui confère les meilleures qualités des tuyaux métalliques conventionnels (solides mais rigides) et des tuyaux flexibles fabriqués à partir de couches non liées de fils métalliques appliqués en hélice et de thermoplastiques extrudés (flexibles mais lourds et très coûteux à résilier sur place). TCP est parfaitement capable de gérer efficacement les pressions et températures exigeantes des applications sous-marines, à la fois des conditions externes et des conditions internes créées par les fluides qui les traversent. Le revêtement thermoplastique de TCP offre également des débits élevés en raison de son faible coefficient de frottement. Enfin, deux autres propriétés clés du TCP - la résistance à la corrosion et à la fatigue - rendent les TCP très durables, même si les sociétés énergétiques pompent plus fréquemment du pétrole brut acide (c'est-à-dire acide) trouvé plus profondément sous terre.

Accélération de la production de tuyaux

Se préparant à répondre à l'accélération de la demande, AOG met un an dans un programme de trois ans conçu pour multiplier par cinq la capacité de production de l'entreprise. "Nous mettons en œuvre plus de 10 mesures individuelles qui conduisent toutes à une augmentation de la capacité de production", déclare Van Onna.

Le TCP est produit chez AOG en trois étapes continues. Tout d'abord, une doublure thermoplastique est extrudée. Ensuite, la pose automatique du ruban (ATL) avec consolidation in situ enroule de quelques à 100 couches du ruban thermoplastique renforcé de fibres, chaque couche étant fusionnée par fusion sur les couches précédentes. Enfin, le tuyau passe à travers une filière d'extrusion de revêtement. Il ne s'agit pas d'une coextrusion régulière, explique Van Onna. « Nous fondons la couche composite extérieure et formons sous pression le revêtement sur le stratifié. Le résultat est un tuyau avec une résistance élevée au cisaillement entre le revêtement et le stratifié, ce qui permet à nos clients de terminer notre TCP n'importe où, tout en maintenant un revêtement à haute résistance, durable et protecteur. »

AOG ajoute des stations de bobinage, un moyen évident d'augmenter la capacité, mais il augmente également les vitesses d'extrusion et de bobinage. La société a intégré un système d'inspection automatique exclusif sur la ligne de production, qui garantit des caractéristiques et des propriétés constantes même lorsque la vitesse de production augmente.

Le processus de production de Magma ressemble à celui d'AOG. Magma m-pipe se compose d'environ 25 pour cent de fibre de carbone, 25 pour cent de fibre de verre S2 et 50 pour cent de PEEK. Magma qualifie son processus de fabrication de « processus d'impression laser 3D robotique entièrement automatisé ». Il consiste en l'extrusion d'un précurseur de tuyau intérieur à alésage lisse fabriqué à partir de PEEK sur lequel un processus ATL utilise un laser pour fusionner des couches alternées de fibres de verre/PEEK et de fibres de carbone/PEEK. Magma a choisi le PEEK, que l'entreprise rachète à Victrex (Lancashire, Royaume-Uni), en raison de sa très grande capacité de fatigue. Toray Industries (Tokyo, Japon) fournit les renforts utilisés dans le m-pipe. Magma répond aux demandes de production non seulement avec sa ligne de production interne à Portsmouth, au Royaume-Uni, mais avec des modules de fabrication mobiles dans le pays (ICMM), dont le premier est également opérationnel à Portsmouth. Magma prévoit de déployer davantage d'ICMM, l'entreprise privilégiant une production locale, tant sur le plan logistique que financier, notamment pour les applications de risers.

Bientôt un succès commercial

Il est important de noter que le développement du TCP s'est accompagné de la création d'une norme formelle pour la conception et la qualification du TCP dans les applications sous-marines. Le chemin vers cette norme a été laborieux, dit Van Onna, mais le résultat est un document et une ligne directrice qui engendre parmi les professionnels de l'énergie une grande confiance dans les performances à long terme du produit, ainsi que son coût d'utilisation prévu. Une telle confiance, on peut l'imaginer, est essentielle dans une industrie hautement réglementée et étroitement surveillée comme la production pétrolière et gazière offshore, où la défaillance des conduites est tout simplement inacceptable. La norme, explique Van Onna, couvre la qualification des matériaux de base ainsi que la méthode de conception et, bien sûr, la technologie de production. AOG a pu démontrer que ses matériaux de base TCP et sa qualité de production sont égaux à ceux des structures composites de référence, durcies à l'autoclave, comme celles utilisées dans l'aérospatiale.

L'approche d'AOG en matière de qualification, poursuit Van Onna, consistait à « exécuter une qualification distincte pour tous nos matériaux de base. Ensuite, nous concevons et fabriquons des tuyaux de toute taille en utilisant ces matériaux qualifiés. En atteignant la qualification et en passant les niveaux TRL, TCP est désormais prêt pour un volume massif de produits à partir de 2019, estime Van Onna.