Brevet FR2473654A1 — publié le 19810717

La présente invention concerne la stabilisation de structures escarpées, par exemple cylindriques, soumises à des oscillations et en particulier la stabilisation de structures fixes du type qui peut osciller transversa- lement sous l'action du décrochement de tourbillons qui est provoqué par le déplacement relatif des structures et des fluides dans lesquels elles sont placées. On sait par exemple que les cheminées et conduits de fumée de grande dimension et légers peuvent entrer en vibration sous l'action du vent, et que le mouvement de la mer peut mettre en vibration de façon analogue des piles sous-ma- rines et les pieds de support des plate-formes de forage pétrolier et d'autres structures marines. Il faut aussi noter que le phénomène n'est pas seulement présenté par les structures montées en porte-à-faux car des oscilla- tions comparables apparaissent parfois dans des structures supportées à leurs extrémités opposées. Si de telles oscillations transversales se ma- nifestent à une fréquence de résonance de la structure, l'amplitude des vibrations peut augmenter et la structure peut finalement se rompre. Bien qu'il soit habituellement impossible d'évi- ter tous les décrochements de tourbillons en direction transversale sans modification de la configuration de la structure d'une manière qui serait par ailleurs inaccep- table, on s'est rendu compte qu'une condition de résonance, désastreuse en pratique, peut être évitée en réalité par empêchement de la synchronisation du décrochement des tour- billons en un point quelconque de la longueur de la struc- ture avec le décrochement en des points adjacents. On a déjà proposé de nombreux procédés de perturbation du syn- chronisme et la plupart d'entre eux comprennent le montage d'un déflecteur d'un type ou d'un autre sur la structure tel que par exemple différents types de capots ou de cages, ou la saillie spiralée décrite dans le brevet des Etats- Unis d'Amérique no 3 076 533. Ces déflecteurs ne sont pas réglables habituellement, lorsqu'ils ont été montés, et ils présentent les inconvénients d'abord d'avoir un effet souvent bien moins important à certaines vitesses relati- ves de la strucutre et du fluide environnant qu'à d'autres, et ensuite d'accroître presque toujours les forces norma- les (et non transversales) appliquées par le fluide à la structure. L'invention concerne un dispositif de stabilisa- tion d'une structure allongée verticale et escarpée soumise à des oscillations transversales provoquées par un dépla- cement relatif de la structure et du fluide environnant, comprenant un dispositif placé sur la structure ou à son voisinage et destiné à libérer un second fluide de masse volumique différente de celle du premier, lors de l'utili- sation, si bien que le second fluide est attiré vers la région en dépression qui se forme dans le premier fluide juste en aval de la structure, et il s'élève ou descend près de cette région et rompt ainsi le synchronisme du décrochement des tourbillons le long-de la structure. Le second fluide est de préférence moins dense que le premier et il peut s'agir d'un gaz lorsque le pre- mier est un liquide. Le second fluide peut être évacué en des points distants autour de la périphérie de la structure, par exemple par un conduit toroldal ou de forme annulaire en- tourant la structure. Parmi d'autres possibilités, on peut citer l'évacuation du second fluide par des orifices for- més à la surface de la structure elle-même, et, lorsque la structure est creuse, le fluide peut atteindre ces orifices par l'intérieur de la structure elle-même; La structure peut aussi porter un autre dispo- sitif anti-vibratoire, par exemple un capot formé par des toiles ou des lattes, entourant la structure et lais- sant un espace annulaire intermédiaire, et le dispositif qui évacue le second fluide peut se trouver près de l'au- tre dispositif anti-vibratoire, au-dessous de celui-ci, afin qu'une partie importante des bulles de gaz qui re- montent pénètre dans l'espace annulaire. D'autres caractéristiques et avantages de l'in- vention ressortiront mieux de la description qui va suivre, faite en référence aux dessins annexés sur lesquels les figures 1 et 2 sont des élévations schématiques de deux applications différentes de l'invention. La figure 1 représente un pilier cylindrique continu 1 en cours d'enfoncement au fond 2 de la mer, sous la commande d'un dispositif non représenté. Deux conduits toroldaux creux 3 sont fixés au pilier, l'un au-dessus de l'autre, et reçoivent chacun de l'air comprimé par une canalisation 4 reliée à un compresseur 5 monté sur un chaland 6 qui flotte à la surface 7 de la mer près du pilier 1. Des trous d'évacuation sont formés autour des faces supérieures des conduits 3, et des bulles d'air 8 s'échappent par ces trous. Dans une variante ou en plus, la canalisation 4 peut communiquer (comme indiqué en traits mixtes par la référence 15) avec l'intérieur creux du pi- lier 1 et des bulles peuvent s'échapper par des trous 16 formés dans la paroidu pilier. Chaque fois qu'il existe un mouvement relatif horizontal entre la mer et une struc- ture -le sens de déplacement de la mer par rapport au pi- lier 1 ou à un tube 12 de forage est indiqué par la flè- che 17 sur les dessins-, les bulles ont tendance à être attirées dans la région à basse pression qui se forme près de la structure, du côté aval. Cette région est repérée par la référence 18 sur la figure 1, la limite amont étant représentée par la tuyauterie 1 et la limite aval étant indiquée schématiquement par le trait mixte 19. Dans cet- te région, les bulles forment en fait un sillage qui per- turbe le phénomène normal de décrochement des tourbillons et les vibrations transversales résultantes du pilier, interrompant ainsi le synchronisme de ces vibrations sur toute la hauteur immergée du pilier. La figure 2 représente des parties d'une plate- forme de forage pétrolier en mer, comprenant des pieds 10, une traverse Il et le tube 12 de forage qui porte un capot perforé 13 séparé du tube par un espace annulaire 14. Un conduit toroldal creux 3, alimenté par une canalisation 4 d'air comprimé comme indiqué précédemment, est monté au- tour de la tuyauterie 1-2 si bien que les bulles d'air 8 évacuées par le conduit remontent le long du tube 12 et une partie importante des bulles pénètre dans l'es- pace 14 et s'élève dans celui-ci. Les bulles qui se trou- vent dans l'espace 14 aussi bien qu'en dehors ont tendance à se rassembler du côté aval de la tuyauterie lorsqu'il y a un mouvement latéral relatif de la tuyauterie et de l'eau, avec le même effet de désynchronisation que précédemment. Des essais suggèrent que le second fluide -l'air dans les exemples décrits précédemment- peut être considéré comme un agent de "découplage" des couches d'eau à gradients différents de vitesse qui pourraient par ailleurs s'enrou- ler en formant un chemin tourbillonnaire juste en aval de la structure. Ainsi, l'énergie-et le synchronisme des tour- billons semblent diminuer. Dans le cas du pilier continu de la figure 1, les essais montrent que, lorsque le pilier a un diamètre de 5 cm et une longueur de 1,2 m et est ex- posé à de l'eau s'écoulant à une vitesse pouvant atteindre 0,9 m/s, une protection importante contre les oscillations transversales peut être obtenue par soufflage d'air par deux conduits à une pression d'alimentation pouvant attein- dre 0,35 bar. Pour de telles dimensions utilisées au cours d'essais, on constate qu'il est difficile d'obtenir une protection utile avec un seul conduit 3. Dans la variante représentée sur la figure 2 dans laquelle un capot entoure la structure, lorsqu'on n'utilise pas l'invention, on en- toure couramment presque toute la longueur immergée de la structure avec un capot et on réalise celui-ci afin qu'il soit adapté à la plus. grande vitesse que peut avoir à supporter la structure. L'utilisation de l'invention permet une économie par réduction de la longueur du capot, celui- ci convenant pour les vitesses modérées de l'eau, l'alimen- tation en air n'était utilisée que pour l'augmentation de la protection lorsque la vitesse devient élevée. Bien qu'on ait décrit des dispositifs destinés à former des bulles d'air autour de structures sous-marines fixes comme application évidente de l'invention, celle-ci n'est pas limitée à cette application. Par exemple, elle convient aussi à des dispositifs de stabilisation des pé- riscopes dessous-marins se déplaçant en eau calme, ainsi que la possibilité d'évacuation d'un second fluide plus lourd que le premier, en un point qui se trouve vers le haut de la structure afin que ce fluide descende au lieu de remonter. REVENDICATIONS 1. Structure verticale allongée et escarpée, compre- nant un dispositif de stabilisation vis-à-vis des oscilla- tions transversales provoquées par un mouvement relatif de la structure et d'un premier fluide qui l'entoure, ladite structure étant caractérisée ence que ledit dispositif est placé sur la structure ou à proximité de celle-ci et, lors du fonctionnement, est destiné à libérer un second fluide dont la masse volumique est différente de celle du premier si bien que le second fluide est attiré vers la région à basse pression qui se forme dans le premier fluide en aval et très près de la structure (1), et que le second fluide s'élève ou s'abaisse près de cette région et rompt le synchronisme du décrochement des tourbillons le long de la structure. 2. Structure selon la revendication 1, caractérisée en ce que le dispositif est destiné à libérer un gaz. 3. Structure selon la revendication 1, caractérisée en ce que le dispositif comporte un conduit annulaire (3) de circulation de fluide, placé à distance de la structure (1) et l'entourant au moins en partie. 4. Structure selon la revendication 3, caractérisée en ce que le conduit a une configuration toroidale. 5. Structure selon la revendication 1, caractérisée en ce que le dispositif comprend des orifices (16) formés à la surface de la structure elle-même. 6. Structure selon la revendication 5, caractérisée en ce qu'elle est creuse et le second fluide peut attein- dre les orifices (16) par l'intérieur de la structure. 7. Structure selon la revendication 1, comportant en outre un capot perforé (13) qui entoure au moins en partie la structure (12) en laissant un espace (14) entre eux, ladite structure étant caractérisée en ce que le dispositif est placé de manière qu'une partie notable du second fluide libéré par le dispositif en cours d'utili- sation pénètre dans ledit espace (14) et s'élève dans celui-ci. 8. Structure selon la revendication 7, caractérisée en ce que le capot (13) entoure totalement la structure. 9. Structure selon la revendication 7, caractérisée en ce que le capot (13) est formé par des lattes. 10. Structure selon la revendication 7, caractérisée en ce que le capot (13) est formé par une toile. 11. Procédé de stabilisation d'une structure verti- cale allongée et escarpée soumise à des oscillations trans- versales provoquées par le mouvement relatif de la struc- ture et d'un premier fluide qui l'entoure, ledit procédé étant caractérisé en ce qu'il comprend la libération, près de la structure, d'un second fluide dont la masse volumi- que est différente de celle du premier, si bien que le se- cond fluide est attiré par la région à basse pression qui se forme dans le premier fluide près de la structure et en aval de celle-ci et s'élève ou descend alors près de cette région en rompant le synchronisme du décrochement des tourbillons le long de la structure. 12. Procédé selon la revendication 11, caractérisé en ce que le second fluide est moins dense que le premier. 13. Procédé selon la revendication 12, caractérisé en ce que le premier fluide est un liquide et le second est un gaz. 14. Procédé selon la revendication 13, caractérisé en ce que le gaz est libéré afin qu'une partie importante pénètre dans un espace annulaire délimité entre la struc- ture et un capot perforé qui l'entoure et s'y élève.