Brevet FR2584150A1 — publié le 19870102

- 1 - La présente invention concerne un système permettant d'effectuer les opérations de tensionnement et d'accrochage à distance de l'extrémité d'un élément allongé tel une conduite sur un support ainsi que les opérations inverses. La présente invention peut être utilisée notamment pour fixer l'extrémité supérieure d'une ligne marine de production d'effluents pétroliers à une installation sous-marine, l'extrémité inférieure de cette conduite étant fixée à un équipement de fond tel une tête de Io puits ou à un collecteur de fond généralement désignr par le terme anglo-saxon de manifold. La présente invention peut être utilisée pour mettre en place toutes les lignes servant à la constitution d'une colonne de production pétrolière marine, généralement désignée par le terme anglo-saxon de "riser", telles que les lignes de production, d'injection de gaz, d'eau, les lignes de test, de distribution d'électricité, de télécommande, de transfert d'outil telles que les lignes généralement désignées par TFL, etc... - 2 - La présente invention concerne un système permettant les opérations de tensionnement et d'accrochage de l'extrémité d'un élément allongé sur un support. Le système selon l'invention se caractérise en ce qu'il comporte en combinaison des moyens de tensionnement, des moyens d'accrochage adaptés à solidariser les moyens de tensionnement à l'extrémité dudit élément allongé et des moyens d'ancrage adaptés à solidariser ledit support à l'extrémité dudit élément allongé. Les moyens d'accrochage pourront être localisés à l'extérieur de O10 l'extrémité de l'élément allongé. Dans le cas o cette extrémiré est creuse les moyens d'accrochage pourront être localisés à l'intérieur de cette extrémité. Les moyens d'accrochage pourront comporter une gorge circulaire aménagée à l'intérieur de l'extrémité de l'élément allongé et au moins un chien solidaire des moyens de tensionnement, ledit chien ayant un profil adapté à coopérer avec ladite gorge circulaire pour provoquer l'accrochage des moyens de tensionnement sur l'extrémité de l'élément allongé. Ce chien pourra être logé dans une ouverture aménagée dans un tube cylindrique dans lequel un piston coulisse entre deux positions. Dans l'une de ces positions ce piston repousse ledit chien vers l'extérieur en position de verrouillage des chiens d'accrochage dans la gorge. Ce piston pourra être solidaire de la tige d'un vérin hydraulique. Les moyens d'ancrage pourront être localisés à l'extérieur de l'extrémité de l'élément allongé. Les moyens d'ancrage pourront comporter au moins un chien de retenue logé dans une ouverture aménagée dans un réceptacle solidaire du - 3 - support. De plus l'extrémité de l'élément allongé pourra comporter sur une partie au moins de sa périphérie un profil adapté à coopérer avec ledit chien de retenue pour rendre solidaires le support et l'extrémité de l'élément allongé. Le réceptacle pourra comporter un premier organe de verrouillage qui coulisse entre deux positions. Dans l'une de ces positions cet organe repousse le chien ou les chiens vers l'extrémité de l'élément allongé, réalisant ainsi le verrouillage des moyens d'ancrage de l'extrémité de l'élément allongé sur le support. Cet organe de verrouillage pourra être actionné par un vérin. De même, les moyens de tensionnement pourront comporter un vérin; ce vérin pourra comporter une chambre annulaire sensiblement coaxiale en fonctionnement à l'extrémité de l'élément allongé. La présente invention sera mieux comprise et ses avantages apparaitront plus clairement à la description d'exemples particuliers, nullement limitatifs, qui suivent, illustrés par les figures ci-annexées parmi lesquelles: - Les figures 1 à 3 illustrent trois variantes de réalisation du système selon l'invention et, - les figures 4 à 8 montrent l'enchainement de différentes phases lors de la connexion du système selon l'invention. Dans le cas des exemples considérés l'élément allongé correspond à une ligne particulière de l'ensemble des lignes qui constituent une colonne montante marine. Cette ligne peut être une ligne de production d'effluents pétroliers. La référence 1 de la figure 1 désigne le support sur lequel doit être - 4- ancrée une ligne de production après mise en tension. Ce support pourra être, par exemple, une bouée immergée. La référence 2 désigne l'extrémité supérieure de la ligne de production. Cette extrémité comporte une collerette 3 qui permettra l'accrochage de la ligne de production, ainsi qu'une partie externe 4 ayant un profil strié destiné à coopérer avec des chiens d'ancrage 5. Ces chiens d'ancrage 5 sont logés dans des ouvertures 6 aménagées dans un réceptacle 7 solidaire du support 1. Sur la figure 1 ce réceptacle est un manchon cylindrique. La collerette 3 de la ligne de production coopère avec un connecteur 8 comportant des chiens 9 permettant l'accrochage de la ligne de production. Ce connecteur 8 est fixé à un élément-de suspension 10 qui est relié à une installation située au-dessus de l'ensemble représenté à la figure 1 et à partir de laquelle on descend cet ensemble. Une telle installation peut être une installation marine flottante. Dans l'exemple de la figure 1 la mise en tension de la ligne de production sera réalisée par des moyens de tensionnement ll qui sont essentiellement constitués d'un vérin hydraulique comportant une chambre principale 12 destinée à recevoir ou à évacuer un fluide sous pression. Les références 13 et 14 désignent les deux organes de ce vérin qui se déplacent, l'un par rapport à l'autre, lors de son fonctionnement et qui seront désignés respectivement par cylindre et tige du vérin de tensionnement. Dans l'exemple représenté à la figure 1, la chambre principale 12 du vérin ll est annulaire et est délimitée par les parois externes de la tige 14 et les parois internes du cylindre 13, la tige 14 étant à - 5 - l'intérieur du cylindre 13, ainsi que par un premier collet extérieur formant piston fixé à l'extrémité de la tige 14 et un collet intérieur 16, formant un presse-étoupe, fixé dans le cylindre 13. Le vérin de tensionnement Il pourra être un vérin à double effet et pourra comporter une chambre annexe 17 délimitée par le collet intérieur 16 et un deuxième collet extérieur 18 fixé à la tige 14. Le collet intérieur 16 est situé entre le premier et le deuxième collets extérieurs 15 et 18. Les différents collets sont dimensionnés pour rendre les chambres principales et annexes 12 et 17 sensiblement étanches. Cette étanchéité pourra être renforcée par des joints 18 19 et 20. Le cylindre 13 du vérin principal 11 peut prendre appui en 21 sur le réceptacle 7 qui, dans le cas de la figure 1, a la forme d'un manchon cylindrique. Dans l'exemple représenté à la figure 1 la tige 14 du vérin de tensionnement est solidaire du connecteur 8 et de l'élément de suspension 10. Le système selon l'invention pourra comporter un organe de verrouillage des chiens d'ancrage 5 dans la position d'ancrage de l'extrémité de la ligne de production 2. Cet organe de verrouillage comporte une chemise de verrouillage 22 qui coulisse entre deux positions. Le diamètre intérieur de cette chemise est déterminé pour que, lorsque cette chemise est en position basse, elle empêche le dégagement des chiens d'ancrage 5 du profil strié 4. Ceci est représenté à la figure 1 o la chemise est en position de verrouillage. Sur cette figure on remarque que la chemise de verrouillage 22 présente sur sa partie - 6- inférieure 23 un diamètre intérieur supérieur à celui déterminé précédemment, ceci afin de permettre le dégagement des chiens d'ancrage 5 lorsque la chemise de verrouillage 22 est en position haute. De plus, afin de faciliter le dégagement des chiens d'ancrage 5 la chemise de verrouillage 22 pourra comporter à sa partie inférieure un ou des doigts 24 qui coopéreront avec des encoches 24a aménagées dans les chiens d'ancrage 5 lors de la levee de la chemise de verrouillage 22. Dans le cas de la figure 1 la position de la chemise de verrouillage 22 est commandée par un vérin à double effet 25 qui sera qualifié ce vérin de verrouillage. La tige 26 de ce vérin est solidaire du cylindre 13 du vérin principal et d'ailleurs ces deux éléments peuvent former une seule pièce comme représenté à la figure 1. 2G La chambre principale 27 du vérin de verrouillage 25 est délimitée par la tige 26 de ce même vérin et par un cylindre 29 ainsi que par un collet extérieur 30 à la tige 26 et par un collet intérieur 31 au cylindre 29. La chambre annexe 32 est délimitée par le collet intérieur 31 par la tige 26, le cylindre 29 ainsi qu'un deuxième collet extérieur 33 solidaire de la tige 26. La disposition, ainsi que la géométrie et les équipements de ces différents collets sont sensiblement les mêmes que pour le vérin de tensionnement 11. Le cylindre 29 du vérin de verrouillage 25 prend appui en 34 sur la chemise de verrouillage 22. - 7 - 22584150 Afin de permettre le retrait ou l'effacement de l'organe de verrouillage des chiens d'ancrage 5, le système selon l'invention peut comporter des moyens qui seront qualifiés de moyens d'effacement ou de retrait et qui sont adaptés à permettre le retrait de la chemise de verrouillage 22 de sa position de verrouillage. Ces moyens comportent une gorge 35 aménagée dans la chemise de verrouillage 22. Des doigts 36 coopèrent avec cette gorge. Ces doigts 36 sont solidaires d'un vérin 37 qui sera qualifié de vérin de retrait de la chemise de verrouillage. Ce vérin 37 comporte une tige 38 qui, dans le cas de la figure 1, est solidaire du cylindre 29 du vérin de verrouillage 25. Il comporte également un cylindre 39 dont la partie inférieure 140 possède une première zone ayant un diamètre tel que lorsque cette zone est au niveau des chiens 36, elle verrouille ces derniers dans la gorge 35 de la chemise de verrouillage 22. La chambre principale 40 de ce vérin est délimitée par la tige 38 et le cylindre 39 de ce même vérin, ainsi que par un premier collet 41 extérieur à la tige 38 et un collet 42 intérieur au cylindre 39. Ce vérin peut éventuellement comporter une chambre annexe 43 le rendant à double effet. Cette chambre est délimitée par la tige 38, le cylindre 39, le collet 42 intérieur et un deuxième collet 44 extérieur de la tige 38. Dans la variante de réalisation représentée à la figure 1, la partie terminale de l'extrémité 2 de la ligne de production, qui comporte une collerette 3, ainsi que le connecteur 8, sont situés en-dessous du vérin de tensionnement 11. - 8 - A l'inverse, dans la variante représentée à la figure 2, la partie terminale de l'extrémité 2 de la tige de production, ainsi que le connecteur 8, sont situés au-dessus du vérin de tensionnement 11, ceci grâce à une extension 45 située entre la collerette 3 et le profil strié 4. De plus, dans le cas représenté à la figure 2, le vérin de tensionnement est un vérin à simple effet. La variante de réalisation du système selon l'invention représentée à la figure 3 illustre le cas o les moyens d'accrochage sont situés à l'intérieur de l'extrémité 2 de la ligne de production. Selon cette variante, les moyens d'accrochage comportent une gorge 46 aménagée à l'intérieur de l'extrémité 2 de la ligne de production et un connecteur 47 comportant des chiens 48 adaptés à coopérer avec la gorge 46. Les chiens 48 sont maintenus en position enclenchée dans la gorge 46 par un piston 49. Dans le cas de la figure 3 le piston 49 est actionné par la tige 50 d'un vérin 51. On remarquera sur cette figure deux axes 52 et 53 permettant au piston 49 deux degrés de liberté en rotation. La chemise 22 pourra comporter un dispositif qui l'empêche de coulisser sous son propre poids lorsqu'elle est en position levée. Un tel dispositif pourrait comporter un joint de serrage ou un système mécanique comportant lui-même un doigt qui coopérerait avec un logement aménagé dans la partie supérieure du réceptacle 7. L'engagement et le dégagement d'un tel dispositif pourraient être commandés par une tige dépassant du bord supérieur de la chemise de -9verrouillage 22 et qui serait actionnée par le contact 34 du cylindre 29 avec cette chemise 22. Bien entendu, il existe des lignes d'alimentation et d'évacuation en fluide hydraulique des différentes chambres des différents vérins. Ces lignes n'ont pas été représentées afin de ne pas compliquer les dessins. Toutefois, la ligne 52 d'alimentation en fluide hydraulique de la chambre principale 12 du vérin principal ll pourra comporter un capteur de pression 53 permettant de connaître la pression dans la chambre 12 ceci afin de contrôler la tension de la ligne de production. La ligne 54 d'alimentation en fluide hydraulique de la chambre principale 27 du vérin de verrouillage 25 pourra être reliée à un accumulateur 55. Un tel dispositif évitera la nécessité d'un contrôle en permanence de la pression dans cette ligne 54. Ceci sera expliqué plus en détail dans la description, nullement limitative, du fonctionnement du système selon l'invention. Ce fonctionnement sera décrit en considérant le mode de réalisation de la figure 1. La figure 4 représente la descente de la ligne de production 55' dont l'extrémité supérieure 2 est fixée à un connecteur 8. Cette descente se poursuit jusqu'à ce que la connexion de l'extrémité inférieure de la ligne de production 55' sur une installation de fond soit effectuée. A la fin de cette connexion, le système selon l'invention se trouve sensiblement dans la position représentée à la figure 5. Sur les figures 4 et 5 les vérins de tensionnement 11, de verrouillage 3 et le vérin 37 des moyens de retrait de la chemise de verrouillage 22 sont représentés avec les cylindres levés, ce qui correspond à un - 10 - volume minimum des différentes chambres principales. Ceci n'est nullement limitatif. Ainsi, par exemple, il sera possible de descendre cet ensemble alors que le cylindre principal 13 du vérin principal ll est en position basse. D'ailleurs, dans ce cas, il pourra servir à amortir le choc dû à son contact en 21 avec le réceptacle 7, ceci grâce à la chambre principale 12. Une fois l'extrémité inférieure de la ligne de production fixée à l'installation de fond, on actionne le vérin principal 11 en envoyant un fluide dans la chambre principale 12 de ce vérin jusqu'au contact de l'extrémité inférieure du cylindre 13 du vérin principal, ceci dans le cas o le vérin principal est en position levée. On poursuit alors l'injection du fluide dans la chambre 12 pour mettre la ligne de production en tension. Cette injection se poursuit jusqu'à ce que l'on atteigne l'effort de tension que l'on souhaite imposer à la ligne de production ou jusqu'à ce que l'on ait atteint l'allongement souhaité. A partir de cet instant on injecte du fluide sous pression dans la chambre principale 27 du verin de verrouillage 25. Le cylindre 29 de ce vérin descend, prend appui en 34 sur la chemise de verrouillage 22 et provcque la descente de celle-ci jusqu'à ce que le bord 56 de la zone de cette pièce ayant un diamètre déterminé pour verrouiller les chiens d'ancrage 5 dans la position enclenchée, rencontre ces chiens d'ancrage 5. A partir de cet instant, deux cas sont possibles: a) les chiens 5 s'enclenchent dans le profil strié 4. A ce moment la chemise de verrouillage 22 poursuit sa course descendante et réalise le verrouillage des chiens 5 dans leur position enclenchée, b) le profil des chiens est décalé par rapport à celui des stries et le bord 56 s'immobilise sur la rampe 57 qui équipe la partie supérieure des chiens 5. - il - Le profil strié 4 ainsi que celui des chiens d'ancrage 5 pourront avoir avantageusement la forme de dents de scie. A partir de l'instant o il y a immobilisation de la chemise de verrouillage 22, du fait que le profil des chiens d'ancrage ne coopère pas avec le profil strié 4, il est possible soit de diminuer la tension exercée sur l'extrémité 2 de la ligne de production, soit de l'augmenter, ceci afin de déplacer légérement le profil strié 4 jusqu'à ce que les chiens d'ancrage 5 puissent s'enclencher dans le profil strié et la chemise de verrouillage 22 poursuit alors sa course descendante et réalise le verrouillage des chiens d'ancrage 5. C'est le cas représenté aux figures 1 et 7. L'accumulateur 55 est utile lorsque le bord 56 est immobilisé sur la rampe 57 du chien 5. En effet, dans ce cas il suffit d'établir un niveau de pression dans la ligne d'alimentation de l'accumulateur 55 et de la chambre 27 et d'isoler cette ligne en surface et de ne plus s'en occuper. Lorsque le profil strié 4 est déplacé et que les chiens s'y engagent, c'est l'accumulateur 55 qui fournira le volume de fluide nécessaire à l'alimentation de la chambe 27 sans pour autant y effondrer la pression. Une fois le verrouillage des chiens 5 réalisé, on transfert les efforts de tension de l'appui 21 vers les chiens d'ancrage 5 en relachant la pression dans la chambre principale 12 du vérin principal 11. La figure 8 représente le retrait des différents vérins ainsi que du connecteur 8. Durant la phase de tensionnement et d'accrochage de l'extrémité de l'élément allongé on ne s'est pas servi du vérin de retrait 37. Ce vérin 37 de retrait de la chemise de verrouillage 22 trouve son utilisation dans le décrochage de l'extrémité 2 de la ligne de production. - 12 - Pour ce faire, on descend l'ensemble des vérins 11, 25 et 37 et le connecteur 8 jusqu'à ce qu'il y ait contact entre le connecteur et la collerette 3. On verrouille alors les chiens d'accrochage 9 et on alimente la chambre principale 12 du vérin principal ll afin de reprendre sensiblement les efforts de tension des chiens d'ancrage 5 vers l'appui 21. Une fois que cela est réalisé, on alimente la chambre principale 27 du vérin de verrouillage 25 jusqu'à ce qu'il y ait contact en 34 entre le cylindre 29 de ce vérin et l'extrémité supérieure de la chemise de verrouillage 22. A ce moment les chiens de verrouillage 36 sont sensiblement en vis-à-vis de la gorge 35 de la chemise de verrouillage. Il suffit alors d'alimenter la chambre principale 40 du vérin de retrait 37 pour provoquer la descente du cylindre de ce vérin qui enclenche les chiens 36 dans la gorge 35. Il faut alors alimenter en fluide la chambre annexe 32 du vérin de verrouillage 25 pour provoquer la remontée de la chemise de verrouillage 22 et libérer les chiens d'ancrage 5. Cette libération pourra être facilitée par les doigts 24 qui coopèrent avec l'encoche 24a localisée à la base des chiens d'ancrage 5. La libération des chiens pourra également être facilitée par la forme du profil des chiens et de la partie striée, notamment si celui-ci a la forme de dents de scie et si l'angle que font les dents de scie avec l'axe 58 diffère de 90 et de préférence s'il est égal à 45 . Les chiens d'ancrage 5 étant libérés, il est possible de rechercher éventuellement l'effort de tension exercé par le vérin principal afin de détendre la ligne de production et éventuellement de déconnecter la ligne de production à sa partie inférieure. Bien entendu, il faudra déconnecter les chiens de déverrouillage 36 de la gorge 35 avant de remonter l'ensemble. - 13 - Ceci pourra se faire en injectant du fluide dans la chambre annexe 43 du vérin 37 et donc les chiens 36 ne seront plus verrouillés. Une traction sur le cylindre 29 provoquera un dégagement des chiens de déverrouillage 36 de la gorge 35 du fait de la forme inclinée des bords de cette gorge. - 14 - R E V E N DI C A T I O N S 1) Système de tensionnement et d'accrochage de l'extrémité d'un élément allongé sur un support, caractérisé en ce qu'il comporte en combinaison des moyens de tensionnement (11l), des moyens d'accrochage (3, 8, 9) adaptés à solidariser les moyens de tensionnement (11) à l'extrémité dudit élément allongé (2) et des moyens d'ancrage (4, 5) adaptés à solidariser ledit support (1) à l'extrémité (2) dudit élément allongé. 2) Système selon la revendication 1, appliqué au cas o ladite extrémité est creuse, caractérisé en ce que lesdits moyens d'accrochage (3, 8, 9) sont localisés à l'intérieur de cette extrémité (2). 3) Système selon la revendication 2, caractérisé en ce que lesdits moyens d'accrochage (3, 8, 9) comportent une gorge (46) aménagée à l'intérieur de ladite extrémité (2) et au moins un chien d'accrochage (48) solidaire des moyens de tensicnnement (11), ledit chien ayant un profil adapté à coopérer avec ladite gorge (46). 4) Système selon la revendication 3, caractérisé en ce que ledit chien d'accrochage (48) est logé dans une ouverture aménagée dans un tube cylindrique dans lequel un piston (49) coulisse entre deux positions, l'une de ces positions correspondant à un verrouillage desdits chiens d'accrochage (48) dans ladite gorge (46). ) Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens d'ancrage (4, 5) comportent au moins un chien d'ancrage (5) logé dans une ouverture (6) aménagée dans un réceptacle (7) solidaire dudit support (1) et un profil strié (4) localisé à l'extrémité (2) dudit élément allongé, lesdits chiens d'ancrage (5) et ledit profil strié (4) étant adaptés à coopérer ensemble pour réaliser l'ancrage - 15 - de ladite extrémité (2) sur ledit support (1). 6) Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits moyens de tensionnement (11) et lesdits moyens d'ancrage comportent chacun un vérin (11, 25). 7) Système selon la revendication 6, caractérisé en ce que le vérin (11) desdits moyens de tensionnement comporte une chambre annulaire (12) qui, en fonctionnement, est sensiblement coaxiale à l'extrémité dudit élément allongé (2).