Brevet FR2594090A1 — publié le 19870814

La presente invention se rapporte a un dispositif d amarrage separable entre une installation flottante et une installation marine ayant une position sensiblement fixe par rapport au fond de l'eau et a laquelle l'installation flottante est reliée par un bras rigide. On sait que l'installation flottante peut étre constituée par un navire et l'installation marine par une bouée d'amarrage ancrée a une certaine distance des cotes ou par une tour, une colonne oscillante, une colonne flottante. un réservoir, etc ... . Elle peut également étre une bouée de chargement et/ou de déchargement de la cargaison d'un navire, une installation a partir de laquelle sont effectuées des operations telles que la récupération de produits pétroliers. ou encore une usine flottante de traitement et de stockage de produits pétroliers. La liaison entre l'installation marine et le bras prolongeant l'installation flottante doit transmettre des efforts en ménageant une certaine liberté des mouvements relatifs dus a l'action de la houle, du vent et des courants. En effet, l'action de la houle nécessite au niveau de la liaison une liberté de mouvements de nutation par rapport a un axe vertical pour absorber le roulis, le tangage et le pilonnement de 1 lnstallation flottante et, par ailleurs. une liberté de mouvements en lacet dans un plan horizontal pour les petits mouvements alternatifs. De plus, les variations de la direction du vent et des courants nécessitent que lins- tallation flottante puisse pivoter autour de 1 instal- lation marine fixe par rapport au fond. Pour permettre ces différents degrés de li berté. on connait des dispositifs de liaison utilises pour l'amarrage d'un navire sur une structure telle qu'une colonne oscillante qui sont réalisés à base de paliers a roulement a bille ou a galet et qui combinent généralement une couronne d'orientation ou table tournante. d'axe vertical, avec une articulation å la cardan, pivotant selon deux axes horizontaux perpendi culaires. On connait egalement un dispositif de liaison comprenant un palier lisse à coussinet qui couronne une installation marine, telle qu'une colonne oscillante ou une colonne flottante ancrée, et qui est associé à un organe de liaison déformable dont la structure lamellée, comprenant une superposition de coquilles sphériques souples et rigides, assure la transmission des efforts engendrés par l'environnement marin en permettant tous les degrés de liberté d'une rotule. Mais, lorsque les conditions atmosphériques sont três mauvaises, des mouvements violents peuvent survenir entre l'installation marine et l'installation flottante, exerçant au niveau de la liaison entre ces deux éléments des forces trés importantes susceptibles de provoquer de sérieux dommages. Ces circonstances se presentent en particulier lorsque les conditions atmosphériques sont Si mauvaises que l'installation flottante doit ëtre déconnectée de 1 installation marine pour attendre ailleurs la fin de la tempéte. Ces conditions atmosphériques étant accidentelles et peu fréquentes, il est préférable de prévoir un dispositif d'amarrage séparable entre les deux installations. plutot que de surdimensionner les structures, notamment au niveau de l'articulation, pour résister aux forces engendrées par ces phénomènes exceptionnels. Or, les dispositifs d'amarrage entre une installation marine et une installation flottante existants ne permettent pas d'obtenir une déconnection rapide et nécessitent l'intervention d'une main-d'oeuvre nombreuse ou d'appareillages complexes. L'invention vise donc à remédier aux inconvénients préc-ités des dispositifs classiques en créant un dispositif d'amarrage entre une installation marine et une installation flottante qui permette une connexion et une déconnexion rapides, tout en étant d'une construction relativement simple et en permettant tous les degrés de liberté nécessaire à ce type d'installation. Elle a donc pour obJet un dispositif d'amarrage séparable en charge entre un bras rigide prolongeant une installation flottante et une installation marine comportant une articulation formée par des élé- ments de liaison déformables dont la structure assure la transmission des efforts et autorise une certaine liberté des mouvements engendrés par l'environnement marin, caractérisé en ce qu'il est constitué par des organes de connexion et de déconnexion commandés par des moyens de manoeuvre et de verrouillage, lesdits organes s'arrimant sur au moins un maneton fixé sur l'installation marine par lesdits éléments de liaison déformables et comprenant au moins un palier d'articulation en tangage de ladite installation flottante sur ladite installation marine, Selon une autre caractéristique de 1' inven- tion, les organes de connexion et de déconnexion sont portés par le bras rigide qui se termine, du coté opposé a l'installation flottante. par une fourche dont chacune des extrémités comporte deux branches ménageant entre elles un logement dans lequel pénètre le maneton de l'installation marine au moment de l arri- mage. L'invention sera mieux comprise à l'aide de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple et faite en se référant aux dessins annexés, sur lesquels - la figure 1 est une vue en élevation de l'ensemble d une installation d'amarrage d'un navire sur une colonne flottante ancrée, - la figure 2 est une vue de dessus de la même installation, - la figure 3 est une vue partielle en coupe selon un plan vertical d'un détail agrandi de la figure 2, représentant plus particulièrement un exemple de réalisation du dispositif d'amarrage selon l'invention en position déverrouillée, - la figure 4 est une vue analogue à la figure 3 du dispositif d'amarrage en position verrouil lée, - la figure 5 est une vue en coupe selon la ligne V-V de la figure 4. ~ la figure 6estun vue en coupe selon la ligne VI-VI de la figure 4, - la figure 7 est une vue partielle en coupe selon un plan vertical d'un détail agrandi de la figure 2, représentant plus particulierement un exemple de réalisation du système de verrouillage du dispositif d'amarrage selon l'invention, - la figure 8 est une vue de dessus schématique d'une variante du dispositif d'amarrage selon l'invention, - la figure 9 est une vue en coupe selon la ligne IX-IX de la figure 8, - la figure 10 est une vue en croupe selon la ligne X-X de la figure 8. Sur les figures 1 et 2, on a représenté l'ensemble d un dispositif d'amarrage où une installation flottante 1, telle qu'un navire, est amarrée par l'intermédiaire d'un bras rigide 2 à une installation marine 3, telle qu'une colonne flottante. reliée au fond de la mer par des lignes d'ancrage 4, le niveau de la mer étant schématisé par la ligne 5. La colonne flottante 3 comporte des canalisations 6 de fluide sous pression qui, depuis des tëtes de puits non représentées, installées au fond de la mer, remontent les fluides par des tuyauteries souples 7 jusqu'au joint tournant 8 de la colonne 3 pour permettre le transfert de ces fluides vers lue bras 2 et le navire 1. Le bras rigide 2 est articulé sur le navire 1 par l'intermédiaire d'une charnière 9 d'axe horizontal et son inclinaison est commandée par un treuil 10 monté sur le navire 1. Au niveau de la liaison entre l'extrémité du bras rigide 2 et la colonne flottante 3, ladite colonne flottante comporte des moyens pour permettre une certaine liberté des mouvements relatifs entre le bras 2 prolongeant l'installation flottante et l'installation marine, cette liberté des mouvements étant rendue nécessaire par l'action de la houle, du vent et des courants.Cette liaison formant articulation comporte un palier lisse 11 avec une pluralité de plots élastiques 12 disposés entre ledit palier et une structure annulaire 13 (figure 2) et adaptés à ce que la rotation du bras 2, autour de la colonne flottante 3, s'obtienne, d'une part. pour les grands débattements angulaires et les pivotements importants, notamment ceux de plus d'un tour, par glissement dudit palier lisse 11 et, d'autre part. pour les petits mouvements angulaires alternatifs, statistiquement les plus fre- quents, par la seule déformation élastique desdits plots 12. La structure annulaire périphérique 13 qui supporte les plots élastiques 12 comporte une char niera d'axe 14 parallele à la charnière d'axe 9 assurant l'articulation du bres 2 sur l'installation flottante 1. Cette charniere d'axe 14 est composée de deux manetons 15 diamètralement opposés et dont chacun contient un palier radial d'articulation en tangage. comme on le verra ultérieurement. Le bras rigide 2 prolongeant l'installation flottante 1 vient s'amarrer sur les deux manetons 15 de la colonne flottante 3. Les figures 3 et 4 illustrent en détail un mode de réalisation du dispositif d'amarrage selon l'invention. A cet effet, le bras 2 se termine du côté opposé à la charnière d'axe 9 qui le relie à l ins- tallation flottante 1, par une fourche 20 dont chacune des extrémités 21 -comporte deux branches 21a et 21b qui ménagent entre elles dans un plan vertical un logement cylindrique 22 dans lequel vient se loger le maneton 15 de la colonne flottante 3. De plus, chaque extrémité 21 de la fourche 20 comporte des moyens pour verrouiller et déverrouiller le maneton 15 à l'intérieur du logement. Ces moyens sont constitués par au moins une pince 23 comportant une machoire supérieure 24 et une mâchoire in férieure 25 disposées chacune de part et d'autre du logement 22. La machoire superieure 24 est placée au-dessous de la branche 21a et est articulée par l'une de ses extrémités sur ladite branche. tandis que la ma choire 25 placée au-dessus de la branche 21b est également articulée par l'une de ses extrémités sur cette branche 21b. Comme on le voit sur la figure 5, la mâchoire supérieure 24 est constituée par un barreau cylindrique 24a sur lequel sont soudées de chaque côté deux séries de petites plaques 24b, 24c. Les extrémités des petites plaques 24b sont fixées sur un axe 24d et les extrémités des petites plaques 24c sont fixées sur un axe 24e formant l'articulation avec la branche 21a. Cette mâchoire est rappelée en position haute par un contre-poids 27. Il en est de même pour la machoire inférieure 25 qui est constituée par un barreau cylindrique 25a sur lequel sont également soudées de chaque coté deux séries de petites plaques 25b et 25c. Les extrémités des petites plaques 25b sont fixées sur un axe 25d et les extrémités des petites plaques 25c sont fixées sur un axe 25e formant l'articulation avec la branche 21b. Les manetons 15 portés par l'installation flottante 3 comportent chacun un ergot 16 de section sensiblement triangulaire formé par deux séries de petites plaques 16a soudées sur ledit maneton et dont les extrémités libres sont reliées entre elles par un petit barreau cylindrique 16b (figure 6). Par ailleurs, à l'intérieur de chaque maneton 15 se trouve logé au moins un palier d'articula- tion en tangage 17. Dans l'exemple représente à la figure 6, le maneton 15 contient deux paliers d'articulation 17a, 17b comprenant chacun un certain nombre de couches en élastomère 18 et de couches non élastiques 19 alternantes. Le palier 17 est précontraint à un angle de torsion prédeterminé pour balancer judicieu sement la course angulaire dans les deux sens, par indexation de l'ergot 16 du maneton 15 au moment du verrouillage des machoires 24 et 25 de la pince 23. Le maneton 15 comporte latéralement des plaques 26 (figure 6) formant un cane de guidage de façon à faciliter l'introduction et le positionnement des extrémités 21 de la fourche 20 du bras 2 sur lesdits manetons, D'autre part. la branche supérieure 21a de chaque extrémité 21 de la fourche comporte un guide 27 qui détermine avec la mâchoire supérieure 24 un plan incliné de guidage facilitant le positionnement des extrémités 21 de la fourche 20 et l'introduction de chaque maneton 15 dans le logement correspondant 22. Les mâchoires 24 et 25 de la pince 23 sont actionnées par un système de manoeuvre et de verrouillage porté par les branches 21a et 21b dans chaque ex trémie 21 de la fourche 20 du bras 2. A cet effet, la branche 21a comporte au moins un vérin hydraulique 30 dont la tige 31 agit sur le barreau cylindrique 24a de la màchoire 24 et la branche 21b comporte également au moins un vérin hydraulique 32 qui agit par l'intermédiaire de sa tige 33 sur le barreau cylindrique 25a de la mâchoire 25. Les vérins hyudrauliques 30 et 32 de chaque extrémités 21 de la fourche 20 sont reliés à au moins un accumulateur oléopneumatique 34 et l'admission de la pression dans lesdits vérins est commandée par un détecteur de proximité 35 placé dans le fond du logement 22. En se reportant maintenant à la figure 7, on va décrire plus en détail le vérin hydraulique actionnant la mâchoire 24, les autres vérins étant absolument identiques. Le vérin hydraulique 30 comporte un piston creux 34 prolongé par la tige31. Le piston creux 34 est traversé de part en part par une bielle 35 mobile avec la tige 31 et qui déborde de l'extrémité dudit vérin opposé à ladite tige 31. A la partie supérieure du piston 34 est monté un carter 36 à l'intérieur duquel débouche l'extrémité 35a de la bielle-35. Ce carter 36 est muni d'une ouverture latérale 37 pour l'introduction d'un organe de verrouillage mécanique constitué par exemple par une clavette 38. La clavette 38 est un coin dont les deux faces planes d'appui forment un angle inférieur à 8g. Sur le carter 36 est monte un vérin extracteur 39 dont la course est transversale à l'axe de la bielle 35 et qui permet de chasser la clavette 38 de façon à libérer la tige 31 du vérin. L'organe de verrouillage de la tige du piston en position sortie peut être constitué par tout autre moyen. Le dispositif d'amarrage ainsi décrit fonctionne de la manière suivante Le bras 2 prolongeant 1 installation flottante 1 est amené à proximité de l'installation marine 3 de telle manière que les guides 27 des deux extrémités du bras 2 viennent s'appuyer sur les manetons 15. Ensuite l'installation flottante continuant à avancer doucement, chaque maneton 15 glisse sur le guide 27, la mâchoire supérieure 24 et vient se placer dans le logement 22. A cet instant, le maneton 15 actionne le détecteur de proximité 35 dans chaque extrémité 21 de la fourche 20 du bras 2, ledit détecteur actionnant à son tour l'accumulateur oléopneumatique 34 pour mettre sous pression les vérins 30 et 32. Sous l'action de la pression du fluide dans les pistons des vérins 30 et 32, les tiges 31 et 33 agissent respectivement sur les barreaux cylindriques 24a et 25a des mâchoires 24 et 25 ce qui provoque leur basculement autour des axes 24e et 25e, et par conséquent la fermeture de la pince 23 (figure 4). Les barreaux cylindriques 24e et 25e de chacune des mâchoires 24 et 25 s'appuient par l'une de leurs génératrices sur l'ergot 16 du maneton 15 provoquant ainsi la mise en précontrainte des paliers d'articulation en tangage 17 prévus à l'intérieur dudit maneton. Les mâchoires 24 et 25 sont ensuite maintenues fermées par l'intermédiaire de la clavette 38 dans le carter 36 du système de verrouillage de façon à bloquer les tiges des vérins 30 et 32. Les vérins 30 et 32 peuvent donc maintenir en position fermée les mâchoires 24 et 25 en présentant deux états différents, un premier état où la fermeture est obtenue par l'action de la pression du fluide sur le piston desdits vérins et un second état où l alimentation en fluide sous pression est interrompue et où la tige desdits pistons est maintenue dans la position correspondant à la fermeture des machoires 24 et 25 par le système de verrouillage mécanique. Le bras 2 et l'installation flottante 1 se trouvent donc amarrés sur l'installation marine 3 pour permettre le transfert des fluides entre la colonne flottante et le navire. La déconnexion sous charge de cet amarrage est obtenue automatiquement. alors que les vérins 30 et 32 ont été remis en pression et que la clavette 38 a été chassée par le vérin extracteur 39, des que l'effort de retenue, qui est fonction de la pression de gonflage de 1 accumulateur oleopneumatique 34 associé aux vérins, devient inférieur à l'effort de séparation provoqué par l'action des éléments marins entre l'installation flottante 1 et 1 installation marine 2, et produit automatiquement l'écartement des mâchoires 24 et 25 de la pince et la libération du bras 2. Dans la variante de réalisation illustrée par les figures 8, 9 et 10, la colonne flottante comporte également des moyens pour permettre une certaine liberté des mouvements relatifs entre le bras 2 prolongeant l'installation flottante et l'installation marine, ces moyens étan.t constitués par un palier lisse 11 avec une pluralité de plots élastiques 12 dispo sés entre ledit palier et une structure annulaire 13. La structure annulaire périphérique 13 comporte une charnière d'axe 14 composée de deux manetons 40 diamétralement opposés et dont chacun contient un palier radial d'articulation en tangage 41. Dans l'exemple représenté à la figure 10. le maneton 4t) contient quatre paliers d'articulation 41a, 41b, 41c, 41d, constitués chacun par un certain nombre de couches en élastomère et de couches non-élastiques alternantes. précontraints à un angle de torsion prédéterminé. Ce type de paliers peut également etre utilisé avec l'exemple de réalisation précédemment décrit. Le bras 2 se termine également du coté opposé a la charnière qui le relie à l'installation flottante 1, par une fourche 20 dont chacune des extrémités 21 comporte deux branches 21a et 21b qui ménagent entre elles, dans cette variante de réalisation. un logement 42 en forme de V pour le positionnement de l'ergot 43 de section sensiblement triangulaire du maneton 40. Le maneton 40 comportent sur deux de ses génératrices opposées, des petits peignes 44a et 44b qui ménagent entre eux des intervalles 45. L'extrémité de la branche 21a est munie d'une série de dents 46a montées pivotantes autour d'un axe 47a et qui comportent à leurs extrémités opposées à l'axe de pivotement des épaulements 48a, Il en est de même pour la branche 21b qui est également munie d'une série de dents 46b- montées pivotantes autour d'un axe 47b et comportant des épaulements 48b. Les dents 46a et 46b pivotent l'une vers l'autre sous l'action de vérins hydrauliques 49a et 49b. Pour l'amarrage, l'ergot 43 de chaque maneton vient se placer dans le logement correspondant 42 de chaque extrémité de la fourche 20 du bras 2, et commande, par exemple par l'intermédiaire d'un détecteur de proximité non représenté, les vérins hydrauliques 49a et 49b, ce qui provoque le basculement des dents 46a et 46b. Lesdites dents viennent se loger respectivement dans les intervalles 45 entre les peignes 44 a et 44b. le blocage étant assuré par les épaulements 48a et 48b sur lesdits peignes. La déconnexion de cet amarrage est obtenue en faisant basculer sous l'action des vérins 49a et 49b les dents 46a et 46b pour les dégager des peignes 44a et 44b. Les avantages de la présente invention résultent essentiellement de la possibilité de réaliser un amarrage séparable sous charge, tout en permettant la reprise des efforts des mouvements engendrés par l'action des éléments marins. Le dispositif selon l'invention est partir librement adapté à l'amarrage d'un navire sur une colonne oscillante ou une colonne flot-tante ancrée, notamment dans le but de réaliser des installations de production de pétrole à partir d'un gisement sousmarin, dans lesquelles la colonne supporte les conduites flexibles de liaison entre les tetes de puits sous-marines et la surface. et où le navire est un navire réservoir équipé d'installations de traitement de cette production. REVENDICATIONS 1.- Dispositif d'amarrage séparable en charge entre un bras rigide (2) prolongeant une installation flottante (1) et une installation marine (3J comportant une articulation formée par des éléments (11, 12, 13) de liaison déformable dont la structure assure la transmission des efforts et autorise une certaine liberté des mouvements engendrés par l'environnement marin, caractérisé en ce qu'il est constitué par des organes (23. 46) de connexion et de déconnexion commandés par des moyens (30, 32, 49) de manoeuvre et de verrouillage, lesdits organes s'arrimant sur au moins un maneton (15, 40) fixé sur l'installation marine (3) par l'intermédiaire desdits éléments (11, 12, 13) de liaison déformable et comprenant au moins un palier (17. 41) d'articulation en tangage de ladite installation flottante (1) sur ladite installation marine (3). 2.- Dispositif d'amarrage selon la revendication 1, caractérisé en ce que les organes (23, 46) de connexion et de déconnexion sont portés par le bras rigide (2) qui se termine, du coté opposé à l'instal- lation flottante (1), par une fourche (20) dont chacune des extrémités (21) comporte deux branches (21a, 21b) ménageant entre elles un logement (22, 42) dans lequel pénètre le maneton (15, 40) de l'installation marine (3) au moment de l'arrimage. 3.- Dispositif selon les revendications 1 et 2. caractérisé en ce que les manetons (15. 40) portés par l'installation marine (3) comportent un ergot (16, 43) de forme sensiblement triangulaire assurant l'en- trainement en rotation et la mise en précontrainte des paliers (17, 41) d'articulation en tangage sous l'ac- tion des organes (23, 46) de connexion et de déconnexion portés par l'installation flottante (1). 4.- Dispositif d'amarrage selon l'une des revendications 1 à 3. caractérisé en ce que les paliers (17, 41) d'articulation en tangage sont des paliers en élastomère lamellés comprenant un certain nombre de couches élastiques et de couches non élastiques alternantes, dont le débattement angulaire est limité, et qui sont précontraints à un angle de torsion prédéterminé pour balancer judicieusement leur course angulaire dans les deux sens de rotation, par indexation de 1 ergot (16, 43) des manetons (15. 40) à l'intérieur des organes (23, 46) de connexion et de déconnexion. 5.- Dispositif d'amarrage selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les organes (23) de connexion et de déconnexion portés par chacune des extrémités (21) de la fourche (20) du bras 6.- Dispositif d'amarrage selon la revendication 5, caractérisé en ce que chacune des mâchoires 124, 25) comporte un barreau cylindrique (24a, 25a) qui vient s'appuyer selon une de ses génératrices contre l'ergot (16) du maneton (15) et qui reçoit selon une autre de ses génératrices la poussée des moyens de manoeuvre constitués, pour chaque mâchoire (24, 25) par au moins un vérin hydraulique (30, 32) de maintien desdites mâchoires en position fermée. 7.- Dispositif d'amarrage selon la revendication 6, caractérisé en ce que le vérin hydraulique (30, 32)comporte un piston creux (34) prolongé par une tige (31, 33) qui agit sur la mâchoire correspondante (24, 25), ledit piston creux étant traversé de part en part par une bielle (35) qui est mobile avec ladite tige et qui coopère avec un système de verrouillage (36, 38). 8.- Dispositif d'amarrage selon la revendi cation 7, caractérisé en ce que le système de ver rouillage de la tige (31, 33) de chaque vérin hydrau lique (30. 32) est constitué par un carter (36) à ~LMinterieur duquel débouche l'extrémité (35a) de la bielle (35) et qui est muni d'une ouverture latérale (37) pour l'introduction d'un organe de blocage méca nique (38). 9.- Dispositif d'amarrage selon la revendi cation 8, caractérisé en ce que l'organe de blocage mécanique est constitué par une clavette (38) en forme de coin dont les deux faces planes d'appui forment un angle inférieur à 10.- Dispositif d'amarrage selon les reven dications 8 et 9, caractérisé en ce que la clavette (38) est chassée de l'ouverture latérale (37) du car ter (36) par un vérin extracteur (39) dont la course est transversale à l'axe de la bielle (35). 11.- Dispositif d'amarrage selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les mâchoires (24 et 25) de la pince (23) sont maintenues en position fermée sur les manetons (15) par les vé rins hydrauliques [30, 32) selon deux états diffé rents, un premier état ou la fermeture est obtenue par l'action de la pression d'un fluide sur le piston desdits vérins (30, 32) par l'intermédiaire d'au moins un accumulateur oléopneumatique (34) actionné par un détecteur de proximité (35) et un second état ou la tige (31, 33) desdits vérins est maintenue dans la po sition correspondant à la fermeture des mâchoires [24, 25) par l'organe de blocage mécanique (38). 12.- Dispositif d'amarrage selon l'une des revendications précédentes. caractérisé en ce que la déconnexion sous charge des mâchoires (24, 25) de la pince (23) sur les manetons 515) est obtenue automatiquement, alors que les vérins hydrauliques (30, 32) sont sous pression et que l'organe de blocage mécanique (38) a été oté. des que l'effort de retenue devient inférieur à l'effort de séparation provoqué par l'action des éléments marins entre l'installation flottante (1) et l'installation marine (3). 13.- Dispositif d'amarrage selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les organes (46) de connexion et de déconnexion portés par chacune des extrémités (21) de la fourche (20) du bras rigide (2) sont constitués par une série de dents (46a. 46b) montées pivotantes sur chaque branche (21a, 21b) des extrémités (21) et coopérant avec des petits peignes (44a, 44b) prévus sur les manetons l40) portés par l'installation marine [3). 14.- Dispositif d'amarrage selon la revendication 13, caractérisé en ce que les petits peignes (44a et 44b) ménagent entre eux des intervalles (45) dans lesquels pénètrent les dents (46a, 46b) qui comportent à leurs extrémités opposées à l'axe de pivotement des épaulements (48a. 48b). 15.- Dispositif d'amarrage selon les revendications 13 et 14, caractérisé en ce que le pivotement de chaque série de dents (46a, 46b) est assuré par au moins un verin hydraulique (49a, 49b).