Brevet FR2507994A1 — publié le 19821224

La présente invention concerne un dispositif d'amarrage rapide d'une installation flottante à une installation marine ayant une position sensible- ment fixe par rapport au fond de l'eau et à laquelle l'installation flottante est reliée par l'intermédiaire d'un bras rigide. L'installation flottante peut être un navire et l'installation marine une bouée d'amarrage ancrée à une certaine distance des côtes L'installation marine peut être aussi une tour, un duc d'albe, une colonne oscillante, un coffre, un réservoir, etc Elle peut être aussi une bouée de chargement et/ou de déchargement de la cargaison d'un navire, une installation à partir de laquelle sont effectuées ou contrôlées des opérations telles que le forage du sol marin, la récupération de produits pétroliers, etc L'installation flottante peut être aussi une centrale de récupération de l'énergie thermique des mers ou une usine flottante de traitement et de stockage de produits pé- troliers. On connait déjà des systèmes d'amarrage d'un navire sur une structu- re telle qu'un coffre flottant ou sur une colonne oscillante, utilisant des bras tournants De tels systèmes sont par exemple décrits dans le brevet fran- çais 1403493 et dans les brevets des Etats-Unis d'Amérique 3354479 et 3908212 Dans ces systèmes, la structure d'amarrage est coiffée par un bras rigide solidaire du navire et prolongeant celui-ci au-delà de l'étrave au niveau de laquelle il est articulé en tangage Afin de permettre la rota- tion du bras et du navire autour de l'axe vertical de la structure, la liaison entre le bras et la structure d'amarrage est réalisée à l'aide d'un pivot, à roulement à bille Sou à rouleaux, appelé table tournante ou couronne d'orien- tation. De tel Is dispositifs présentent l'inconvénient majeur de ne pas permettre l'amarrage et le largage rapide du navire sur un plan d'eau agité par les propres moyens de ce navire En effet l'assemblage entre le bras prolon- geant le navire et l'installation marine utilisant une table tournante nécessi- te habituellement des moyens lourds de levage extérieurs au navire tels que des grues flottantes et la précision de positionnement requise ne peut être obtenue que sur un plan d'eau très calme Généralement cet assemblage est effectué dans un chantier naval sur un plan d'eau immobile et l'ensemble formé par la bouée, le bras et le navire est remorqué jusque sur le site d'utilisation o l'on procède au mouillage Les procédures de mouillage d'un tel ensemble sont très délicates, nécessitent le concours de plusieurs re- morqueurs et bateaux de service et doivent s'effectuer dans une fenêtre météo importante Par contre l'utilisation du dispositif selon l'invention, qui rend possible un amarrage rapide en mer du navire sur la bouée ou la colonne oscillante permet de scinder la mise en place de l'installation en deux phases: la première-étant une opération classique d'ancrage de bouée ou de mise en place de colonne oscillante, la seconde est une opération ra- pide d'accostage du navire sur cette b uée ou cette colonne oscillante déjà mouillée L'utilisation élu dispositif selon l'invention permet également le découplage rapide entre navire et bouée en laissant celle-ci en place Cette possibilité, nouvelle par rapport aux dispositifs actuellement connus, pré- sente un grand intérêt pour l'utilisation de telles installations flottantes amarrées à des installations marines, affectées notamment à l'exploitation du pétrole sous-marin, dans des régions du monde o la mer est relative- ment calme tout au long de l'année (Golfe du Mexique Indonésie) mais o il se produit de temps en temps une perturbation extrêmement sévère (cy- clone par exemple) De telles perturbations occasionnelles exercent sur des installations qui doivent rester en place, comme c'est le cas avec la technique actuelle, des sollicitations sans commune mesure avec celles qui sont engendrées par les conditions océanologiques habituelles Il est renta- ble dans ce cas d'interrompre momentanément l'exploitation en libérant le navire et en ne laissant en place sur le site que la bouée seule qui repré- sente une masse en général cent fois ulus petite que celui-ci Il est aussi excessivement rentable pour faire ces travaux de réparation sur le navire qui porte les équipements de traitement du pétrole de pouvoir l'acheminer seul vers un chantier naval plutôt que de ramener dans ce chantier l'ensem- ble navire, bras et bouée après avoir relevé les lignes d'ancrage et les tuyauteries de liaison avec le fond. L'objet principal de l'invention est de réaliser un nouveau dispositif tournant réalisant la liaison d'un navire sur une installation marine assu- jettie à au moins un point fixe du fond de la mer à l'aide d'un bras rigide qui permet l'amarrage et le largage rapide du navire en haute mer sans autres moyens que ceux portés par ce navire. Les caractéristiques et avantages de l'invention seront mieux compris à la lecture de la description qui suit d'un exemple de réalisation et en se référant aux dessins annexés, dans lesquels la fig 1 est une vue de dessus d'un exemple de réalisation du disposi- tif selon l'invention, certains détails étant représentés en coupe selon un plan horinzontal la fig 2 est une vue en élévation et partiellement en coupe selon la ligne I de la fig 1 de cet exemple de réalisation la fig 3 est une vue en coupe selon la ligne II de la fig 1. Sur les fig 1, 2 et 3 on a représenté un exemple de réalisation du disposi- tif d'amarrage et de largage selon l'invention o une installation flottante 1, telle qu'un navire, est amarrée autour d'une installation marine 2, tel- le qu'une bouée flottante, assujettie au fond de la mer par -des lignes d'an- crage funiculaire 3, 3 a, 3 b, 3 c, le niveau de la mer étant schématisé par la ligne 4. Le dispositif comporte un bras rigide 5 en forme de croix qui est composé de deux fourches 6 et 7 Les deux branches 6 a et 6 b de la fourche 6 pren- nent en pince l'extrémité de l'installation flottante 1 avec laquelle le bras est articulé selon un axe sensiblement horizontal à l'aide des paliers 8 et 8 a Les deux branches 7 a et 7 b de la fourche 7 prennent en pince un an- neau structural torique 9, avantageusement réalisé en tube d'acier cintré, avec lequel le bras est articulé selon un axe sensiblement horizontal à l'aide des paliers 10 et l Oa. Les deux fourches 6 et 7 constituent deux tronçons du bras rigide en prolongement l'un de l'autre, raccorcés de façon à permettre la rotation coaxiale de l'un des tronçons par rapport à l'autre, par deux paliers coaxiaux 11 et 12, et deux butées 13 et 14 reprenant les efforts de traction et de compression appliqués au bras rigide par les mouvements de l'ins- tallation flottante par rapport à l'installation marine. l'anneau structural torique 9 supporte deux trains de roues à pneumatiques à 15 j et 16 à 16 j qui coopèrent avec une structure circulaire biconique 17 qui coiffe la bouée 2 Cette struc'ure circulaire 17 est constituée des deux parois tron-coniques superposées 18 et 19 opposées par leur base pour former une arête circulaire saillante 20. L'anneau structural torique 9 vient se positionner autour de la structure biconique 17, dans le plan de l'arête 20 de telle façon que les roues 15 à j, réparties sur son pourtour, mais plus particulièrement disposées vers l'extérieur et vers l'intérieur du bras pour reprendre les efforts dus au rapprochement et à l'éloignement du navire par rapport à la bouée, vien- nent s'appliquer normalement sur la paroi conique supérieure 18 Les roues 16 à 16 j montées en partie inférieure de l'anneau structural et ré- parties de la même façon que les roues 15 à 15 j viennent s'appliquer nor- malement sur la paroi conique inférieure 19. Les roues 16 à 16 j sont reliées à l'anneau structural 9 par l'intermédiaire d'essieux à excentrique 21 dont la rotation commandée avantageusement par un actionneur hydraulique 22 a pour effet de les éloigner ou de les rappro- cher de la paroi 19 On voit sur la fig 3 que la roue 16 est, dans la position 16 p,appliquée contre la paroi 19 avec une précontrainte;ui produit un écra- sement du pneumatique alors que dans la position 16 r celle-ci est éloi- gnée de la paroi 19 vers l'extérieur de la structure biconique 17 au-delà de l'arête circulaire saillante 20 Lorsque les roues 16 à 16 j sont dans la position rapprochée 16 p on obtient un verrouillage de l'accrochage du bras sur la bouée 2 Par contre leur éloignement dans la position 16 r auto- rise soit la descente, soit le relevage du bras 5. La fig 2 représente également le bras rigide 5 dans la position 5 r et l'an- neau structural 9 dans la position 9 r, positionsqu'ils occupent soit avant l'amarrage du navire 1 sur la bouée 2, soit après le largage de la dite bouée. La manoeuvre qui permet de monter ou de descendre le bras entre ces deux positions 5 et 5 r est commandée par le treuil 23 qui enroule ou dé- roule le câble 24 prolongé par une patte d'oie dont les deux brins 25 et 25 a sont fixés sur les deux branches 7 a et 7 b de la fourche avant 7 du bras par l'intermédiaire des ferrures 26 et 26 a Pour diminuer la composante de traction sur ce câble due à la masse du bras, le treuil est monté sur une structure en surélévation 27 installée sur la plage avant 28 du navire 1. Pour faciliter les opérations d'accostage des pneus des roues 15 à 15 j sur la paroi conique suoérieure 18 de la structure circulaire 17, l'anneau structural 9 est maintenu en position sensiblement horizontale pendant les manoeuvres de descente et de relevage du bras 5 par abaissement de son centre de gravité grâce aux lests 29 et 29 a suspendus à l'extrémité des bras 30 et 30 a fixés sur ses moyeux d'articulation 31 et 31 a, lests qui confèrent à l'anneau 9 une stabilité pendulaire. Sur la fig 3 on a représenté un exemple du détail de réalisation des méca- nismes qui relient chacune des roues 15 à 15 j à l'anneau structural 9 La roue 15, représentée ici équipée des paliers lisses 32 et 33 Feut tourner autour de la fusée 34 qui prolonge l'essieu 35 dont l'axe est décalé par rapport à l'axe de la dite fusée pour former un excentrique de telle façon que la rotation de l'essieu 35 dans un sens permet d'éloigner la dite roue de la paroi conique 18 constituant son chemin de roulement, alors que la rotation dans l'autre sens permet de venir l'appliquer de nouveau contre cette paroi Cette disposition donne la possibilité, alors que la liaison en- tre la bouée et le navire est établie, de remplacer une roue endommagée durant une période oh l'état de la mer le permet L'ensemble des roues 15 à 15 j étant en position de travail en appui sur leur chemin de roulement constitué par la paroi 18, le mécanisme décrit permet d'éloigner l'une de celles-ci pour effectuer sa dépose et son remplacement Il va de soi qu'il en est de même pour les roues 16 à 16 j dont chacun des essieux à excen- trique Z qui servent principalement à verrouiller l'anneau 9 du bras 5 sur la structure biconique 17 de la bouée 2, peut aussi être utilisé pour n'éloigner que l'une d'elles de son chemin de roulement afin d'effectuer sa dépose et son remplacement. La commande en rotation de l'essieu 35 oeut avantageusement être effec- tuée par la manoeuvre de la vis sans fin 36 implantée comme celui-ci à l'intérieur du carter 37 fixé sur la structure de l'anneau 9 par les goujons 38 etc Cette vis sans fin actionne la roue dentée 39 qui est solidaire de l'essieu 35. La manoeuvre de la vis sans fin 36 peut être effectuée manuellement ou par un moteur électrique ou hydraulique non représenté. Par ailleurs chacune des chambres 40 des pneumatiques 41 équipant les roues 15 est reliée au moyen des tuyauteries 42, 43 et du raccord tour- gant 44 à une centrale commune 45 de génération et de réglage de la pres- sion dans le but d'ajuster celle-ci aux charges qui sont appliquées à ces pneumatiques en fonction de l'état de la mer. Le fonctionnement du système ainsi décrit est facile à comprendre. La bouée 2 ayant été préalablement ancrée sur le site, le navire 1 se pré- sente pour s'amarrer à celle-ci Le navire est équipé de son bras rigide de liaison 5 qui est suspendu dans la position 5 r par le càble 24 Le navire manoeuvre pour présenter l'anneau structural 9, porté par le bras, au- dessus de la bouée 2 Les roues 16 à 16 j montées en oartie inférieure de l'anneau 9 ont été préalablement placées dans la position 16 rpar la com- mande en rotation des actionneurs hydrauliques 22, de telle façon qu'elles circonscrivent un cercle plus grand que le cercle de l'arête 20 des deux parois coniques 18 et 19 de la structure 17 coiffant la bouée Ainsi le bras rigide peut être descendu par le treuil 23 de la position 5 a à la position 5 jusqu'au contact des roues 15 à 15 j sur la paroi conique supérieure 18. A ce moment les roues 16 à 16 j se trouvent en face de la paroi 19 au-des- sous de l'arête 20 et l'on peut effectuer le verrouillage de l'anneau 9 sur la structure 17 par la commande des actionneurs hydrauliques 22 qui, en- traînant en rotation les essieux excentrique 21, viennent appliquer celles- ci contre cette paroi avec compression de leurs pneumatiques. Durant ce mouvement de descente du bras 5, l'anneau structural 9 portant les pneus a été maintenu dans une position sensiblement horizontale gràce aux lests 29 et 29 a qui lui donnent une stabilité pendulaire et assure par mer calme un contact quasi-simultané des pneumatiques des roues 15 à j sur la paroi 18 qui les reçoit Toutefois la résilience de ces pneumati- ques et la forme conique de la structure réceptrice permettent d'effectuer cette manc 9 uvred'accostage dans de bonnes conditions même si la bouée 1 et le navire 2, soumis à la houle, sont animés de légers mouvements l'un par rapport à l'autre, et si l'anneau structural 9 n'est pas positionné avec précision dans l'axe de la bouée au moment de l'impact Après accostage des-roues supérieures 15 à 15 j et verrouillage en position de travail des roues inférieures 16 à 16 j par commande à distance depuis le navire, l'a- marrage du navire 1 sur la bouée 2 est achevé Des lors, sous les effets conjugués du vent, du courant et des vagues, le navire 1 subit des efforts qui tendent à l'éloigner de la bouée 2 Ces efforts de traction sont transmis à la bouée par appui sur ses parois coniques 18 et 19 des roues 15 à f et 16 à 16 f situées dans la zone avant de l'anneau 9 avec compression des pneumatiques qui s'écrasent d'autant plus que l'effort auquel ils sont soumis est élevé Par contre les roues 15 g à 15 j et 16 g à 16 j situées dans la zone arrière de l'anneau 9 sont délestées et leurs poeumatiques, pré- contraints au moment de l'amarrage, tendent à reprendre leur forme cir- culaire, sans pour autant perdre le contact avec les parois coniques 18 et 19. Lorsque, sous l'effet des mouvements orbitaux de la houle, le navire 1 est soumis à un mouvement de cavalement, la tendance au déplacement de celui-ci en direction de la bouée 2 entraine la mise en charge des roues g à 15 j et 16 g à 16 j situées dans la zone arrière de l'anneau 9 avec com- pression des pneumatiques qui s'écrasent proportionnellement à la charge qu'ils reçoivent De la même façon les roues 15 à 15 f et 18 à 18 f situées dans la zone avant de l'anneau sont délestées et leurs pneumatiques ten- dent à reprendre leur forme circulaire, en perdant leur précontrainte ini- tiale sans toutefois, même pour des charges extrêmes, perdre le contact avec les parois coniques 18 et 19. Lorsque lès directions du vent et du courant changent, le navire 1 s'évite autour de l'axe de la bouée 2 et prend une nouvelle position Les roues, entraînées en rotation, cheminent sur les deux parois coniques 18 et 19. L'amarrage tel qu'il est réalisé par le dispositif selon l'invention permet également de dissocier les mouvements de pilonnement et de tangage de la bouée 2 de-ceux du navire 1 grâce aux deux articulations extrêmes du bras 5 matérialisées par les paliers 8 et 8 a de liaison avec le navire 1 et les paliers 10 et la de liaison avec l'anneau structural 9 portant les roues. De même ce dispositif permet de dissocier les mouvements de roulis du navire de ceux de la bouée grâce à l'articulation des deux fourches 6 et 7 qui composent le bras 5, matérialisée par les paliers Il et 12 et les butées 13 et 14 qui sont disposés selon l'axe longitudinal de ce bras. Lorsque le navire 1 doit quitter son mouillage sur la bouée 2, la comman- de à distance des actionneurs hydrauliques 22, produit le dégagement ra- dial simultané des roues inférieures 16 à 16 j, ce qui permet le relevage du bras de la position 5 vers la position 5 r Les pneus des roues 15 à j quittent leur chemin de roulement, l'anneau 9 est dégagé et le navire 1 est libéré. Les avantages de la présente invention résultent essentiellement de la possibilité d'amarrer rapidement un navire sur une bouée déjà ancrée et de le libérer à volonté, par états de mer modérés statistiquement fré- quents. /une Le dispositif selon l'invention permet également d'assurer/ maintenance périodique et préventive des organes de la liaison bras-bouée au niveau des roues et de leurs paliers, sans devoir interrompre cette liaison, en déposant une roue en avarie comme on l'a vu ci-dessus, les autres roues demeurant en position de travail, et en la remplaçant par une autre roue en état. Le dispositif d'amarrage et de largage rapide d'un navire s'applique par- ticulièrement à la réalisation d'installations de production temporaire de pétrole à partir d'un gisement sous-marin, o la bouée ancrée supporte les conduites flexibles de liaison 46 à 46 g entre les têtés de puits sous marines et la surface et o le navire est un navire réservoir équipé d'installation de traitement de cette pxoduction. A cet effet, comme représenté sur les figures 1 et 2, le transfert de la production vers le navire 1 pourra être effectué à l'aide du joint tournant 47, de la tuyauterie rigide 48 supportée par les câbles 49 et 50 pour for- mer un bras tournant, et des tuyauteries souples 51, 52, et 53 qui permet- tent le maintien de la continuité de la canalisation de transfert malgré les mouvements relatifs de la bouée, des deux fourches 6 et 7 du bras rigide 5, et du navire 1. Nous avons décrit ci-dessus un exemple de réalisation qui nous semblait le plus judicieux du dispositif d'amarrage rapide selon l'invention L'in- vention s'applique également à tout autre exemple de réalisation utilisant des roues à bandages élastiques portées par un bras rigide prolongeant le navire/equi coopèrent avec une structure biconique coiffant l'installation marine ancrée, et notamment à un autre exemple de réalisation o la stru- ture biconique au lieu d'être composée de deux parois coniques opposées par la base pour former une collerette sont deux parois coniques opposées par le sommet pour former une gorge dans laquelle l'anneau -ortant les roues vient s'emprisonner. REVENDICATIONS 1 Dispositif d'amarrage et de largage d'une installation flottante pouvant s'éviter autour d'une installation marine assujettie à au moins un point fixe au fond de la mer à laquelle la eite installation flottante est re- liée par l'intermédiaire d'un bras rigide, caractérisé en ce que l'une des extrémités du dit bras est liée à l'installation flottante par une articulation dont l'axe est sensiblement horizontal pour permettre la descente ou le /dit relevage du bras et dont l'autre extrémité porte un anneau structural équi- pé de moyens de guidage, lesquels coopèrent au cours de l'évitage de l'ins- tallation flottante avec une structure circulaire qui coiffe l'installation ma- rine, la dite structure circulaire étant constituée par deux parois coniques formant une collerette, et caractérisé en ce que des moyens d'effacement temporaire des moyens de guidage portés par l'anneau structural permet- tent soit l'accostage puis la retenue du dit anneau sur la dite collerette après la descente du bras rigide en vue de l'amarrage, soit la libération du dit aineau pour permettre le relevage du bras rigide au cours du lar- gage de la bouée. 2 Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de guidage portés Dar l'anneau structural terminant le bras rigide sont constitués par deux trains de roues équipées de pneumatiques, les axes des roues de chacun des trains étant disposés de telle sorte que les dites roues s'appliquent normalement contre les parois coniques sur les- quelles elles cheminent au cours de l'évitage de l'installation flottante. 3 Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de guidage portés par l'anneau structural terminant le bras rigide sont constitués par deux trains de roues équipées de bandages pleins élas- tiques, les axes des roues de chacun des trains étant disposées de telle sorte que les dites roues s'apoliquent normalement contre les parois coni- ques sur lesquelles elles cheminent au cours de l'évitage de l'installation flottante. 4 Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens d'effacement temporaire des moyens de guidage intéressent le train de roues destinées à c Seminer sur la paroi conique inférieure de la collerette coiffant l'installation marine, les dites roues étant montées sur des essieux à excentrique dont la commande à distance en rotation permet le dégagement radial simultané des dites roues vers l'extérieur de l'an- neau structural qui les porte. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que chacu- ne des roues de guidage destinées à cheminer sur la paroi conique supé- rieure de la collerette coiffant l'installation marine est fixée sur l'anneau structural par l'intermédiaire d'un essieu à excentrique dont la commande locale en rotation dans un sens permet, lorsque la liaison entre installation marine et installation flottante est établie, d'éloigner la roue correspon- dante de la paroi conique qui constitue son chemin de roulement alors que les autres roues demeurent en position de travail, et dont la commande en rotation dans le sens inverse permet d'appliquer la dite roue sur son che- min de roulement. 6 Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'extré- mité du bras rigide reliable à l'installation marine est épanoui en fourche dont les deux branches portent l'anneau structural auxquelles elles sont reliées par une articulation dont l'axe est narallèle au plan de l'anneau. 7 Dispositif selon les revendications 1 ou 6, caractérisé en ce que le bras rigide est constitué par deux tronçons en prolongement l'un de l'autre et pouvant tourner l'un par rapport à l'autre, la liaison des dits tronçons étant assurée par au moins deux paliers coaxiaux et deux butées reprenant les efforts de compression et de traction appliqués au dit bras par les mouvements relatifs de l'installation marine et de l'installation flottante. 8 Dispositif selon la revendication 6 caractérisé en ce que l'an- neau structural articulé à l'extrémité du bras rigide est équipé d'au moins un lest abaissant son centre de gravité par rapport à son axe d'articulation, de telle sorte que pendant les manoeuvres de descente et de relevage du dit bras, l'anneau structural présente une stabilité pendulaire qui le rau- pelle sensiblement à l'horizontale. 9 Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que les chambres des pneumatiques sont reliées au moyen de tuyauteries et de raccords tournants à une installation commune de pressurisation et de réglage dans le but d'ajuster la pression des dits pneumatiques aux char- ges qui leur sont appliquées en fonction de l'état de la mer.