Le tube composite thermoplastique va révolutionner les opérations en mer profonde

Visitez les pages d'actualités d'Airborne Oil & Gas (AOG, IJmuiden, Pays-Bas) et Magma Global Ltd. (Portsmouth, Royaume-Uni) et vous repartirez avec l'impression que 2018 a été une année charnière pour ces deux fabricants leaders de tube composite thermoplastique (TCP) pour applications en mer profonde. Mais ne soyez pas surpris si les nouvelles 2019 sur ce marché naissant pour les composites éclipsent celles de l'année précédente.

L'attrait du TCP

Soulignant cette croissance rapide est l'histoire relativement brève du déploiement du TCP dans les applications pétrolières et gazières en mer profonde. Notez que le TCP est distinct du tuyau thermoplastique renforcé — RTP — qui existe depuis les années 1990. Le RTP consiste en une gaine thermoplastique sur-enroulée de composites en fibres d'aramide ou de verre non liés, puis revêtu de thermoplastique. Il est utilisé dans des applications à pression plus basse et moins exigeantes en température comparé au TCP entièrement lié. Bien que le TCP consiste en un ensemble similaire de matériaux, il est adapté à des pressions plus élevées et une gamme de température plus grande pour deux raisons. Premièrement, certains TCP utilisent des résines thermoplastiques plus performantes, comme le PEEK, et/ou des renforts à plus haute résistance comme la fibre de carbone. Deuxièmement, les couches du TCP sont liées entre elles par un processus de fabrication par fusion, qui donne des propriétés de performance plus élevées que le RTP fait des mêmes matériaux.

Il y a seulement 11 ans, raconte Van Onna, aucun TCP n'avait été déployé en applications mer profonde. Puis en 2009, AOG a développé et déployé le premier TCP offshore downline (utilisé pour pomper des fluides vers le fond marin pour injection dans des pipelines sous-marins ou têtes de puits sous-marines). La société a construit un site de production 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 qui inclut fibre de verre/PEHD pour applications jusqu'à 65 °C/150 °F et 5 ksi ; fibre de carbone/polyamide 12 pour applications jusqu'à 80 °C/180 °F et 10 ksi ; et fibre de carbone/PVDF pour 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, ouvrant son site de production à Portsmouth, Royaume-Uni en 2016. À la célébration du cinquième anniversaire de la société, le CEO Martin Jones a commenté : « L'industrie de l'aviation est un bon précédent où l'utilisation de la fibre de carbone est maintenant standard. Cela se passe maintenant aussi dans le pétrole et gaz. Nous sommes actuellement engagés avec tous les opérateurs majeurs. »

L'adoption croissante du TCP découle de ses nombreux avantages d'économie de coûts par rapport au tuyau conventionnel. Par exemple, malgré un coût de matériaux plus élevé, le carbone/PVDF haute performance d'AOG dans une application de flowline génère une économie rapportée de 30 pour cent sur le coût tel qu'installé comparé aux flowlines métalliques. De même, une revue commerciale de Calash (Londres, Royaume-Uni) du m-pipe versus acier dans une application de riser simple ligne offset (SLOR) a estimé une économie de coût tel qu'installé de 11 pour cent. Ces économies résultent de plusieurs propriétés du TCP qui rendent le transport, la préparation (par exemple, terminer les tuyaux avec des raccords d'extrémité), et l'installation considérablement moins chers que d'effectuer ces tâches avec des tuyaux faits d'autres matériaux.

Comme c'est souvent le cas avec les composites, la première telle propriété est le poids léger — le TCP pèse aussi peu que un dixième du poids du tuyau en acier — mais la combinaison de poids léger et flexibilité du tuyau fait un avantage critique : le tuyau peut être enroulé sur des tambours et palettes sous-marins relativement petits. À cause de cela, des navires plus petits peuvent transporter et installer de longues portées de TCP — un avantage logistique et économique dans des locations offshore plus reculées (par exemple, au large de la côte ouest-africaine), où le déploiement de navires de levage lourd conventionnels est une proposition coûteuse. Un autre avantage d'économie de coût créé par la capacité de fusion du TCP est que le tuyau peut être terminé et les raccords d'extrémité installés sur site.

Le TCP offre une combinaison de haute résistance, flexibilité et facilité de terminaison, lui donnant les meilleures qualités du tuyau métallique conventionnel (fort mais rigide) et du tuyau flexible fait de couches non liées de fils métalliques appliqués hélicoïdalement et thermoplastiques extrudés (flexible mais lourd, et très coûteux à terminer sur site). Le TCP est pleinement capable de gérer efficacement les pressions et températures exigeantes des applications sous-marines — tant des conditions externes que des conditions internes créées par les fluides circulant à travers eux. La gaine thermoplastique du TCP offre aussi des débits élevés en raison de son faible coefficient de frottement. Finalement, deux autres propriétés clés du TCP — résistance à la corrosion et à la fatigue — font des TCPs des produits hautement durables, même alors que les compagnies énergétiques pompent plus fréquemment du pétrole acide (c'est-à-dire acide) trouvé plus profond sous terre.

Accélérer la production de tuyaux

Préparant à répondre à la demande accélérée, AOG est à un an dans un programme de trois ans conçu pour augmenter la capacité de production de la société par un facteur de cinq. « Nous mettons en œuvre plus de 10 mesures individuelles qui mènent toutes à une capacité de production accrue », dit Van Onna.

Le TCP est produit chez AOG en trois étapes continues. Premièrement, une gaine thermoplastique est extrudée. Ensuite, le drapage automatisé de bandes (ATL) avec consolidation in-situ enroule de quelques à 100 couches de bande thermoplastique renforcée en fibres, chaque couche fusionnée sur les couches précédentes. Finalement, le tuyau est passé à travers une filière d'extrusion de revêtement. Ce n'est pas de la co-extrusion régulière, explique Van Onna. « Nous fondons la couche composite externe et formons sous pression le revêtement sur le stratifié. Le résultat est un tuyau avec une haute résistance 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 haute résistance, durable et protecteur. »

AOG ajoute des stations d'enroulement, une façon évidente d'augmenter la capacité, mais augmente aussi les vitesses d'extrusion et d'enroulement. La société a intégré un système d'inspection automatique propriétaire sur la ligne de production, qui assure des caractéristiques et propriétés cohérentes même quand la vitesse de production est augmentée.

Le processus de production de Magma ressemble à celui d'AOG. Le m-pipe de Magma consiste en environ 25 pour cent de fibre de carbone, 25 pour cent de fibre de verre S2 et 50 pour cent de PEEK. Magma réfère à son processus de fabrication comme un « processus d'impression 3D laser robotique entièrement automatisé. » Il consiste en l'extrusion d'un précurseur de tuyau interne lisse fait de PEEK sur lequel un processus ATL utilise un laser pour fusionner des couches alternées de bandes verre/PEEK et carbone/PEEK. Magma a sélectionné le PEEK, que la société acquiert de Victrex (Lancashire, Royaume-Uni), en raison de sa capacité de fatigue très élevée. Toray Industries (Tokyo, Japon) fournit les renforts utilisés dans le m-pipe. Magma suit le rythme des demandes de production non seulement avec sa ligne de production interne à Portsmouth, Royaume-Uni, mais avec des modules de fabrication in-pays mobiles (ICMM), le premier desquels opère aussi à Portsmouth. Magma anticipe déployer plus d'ICMMs, puisque la société favorise la production locale, tant logistiquement que financièrement, surtout pour les applications de riser.

Succès commercial imminent

Important, le développement du TCP a été accompagné par la création d'une norme formelle pour la conception et la qualification du TCP dans les applications sous-marines. La route vers cette norme a été laborieuse, dit Van Onna, mais le résultat est un document et guide qui engendre parmi les professionnels de l'énergie une grande confiance dans la performance à long terme du produit, ainsi que son coût attendu en utilisation. Une telle confiance, on peut l'imaginer, est critique dans une industrie hautement réglementée et étroitement surveillée comme la production pétrolière et gazière offshore, où l'échec de tuyau est 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 la qualité de production sont égaux à ceux de la référence, les structures composites durcies en autoclave comme celles utilisées dans l'aérospatial.

L'approche d'AOG pour la qualification, continue Van Onna, était de « faire une qualification séparée pour tous nos matériaux de base. Ensuite nous concevons et fabriquons des tuyaux de toute taille en utilisant ces matériaux qualifiés. » Atteindre la qualification et grimper les niveaux TRL, le TCP est maintenant prêt pour un volume de masse de produits à partir de 2019, croit Van Onna.