Brevet FR2660494A1 — publié le 19911004

La présente invention concerne un système pour la pose sur un fond sous- marin d'un câble ou d'un tuyau souple stocké dans un navire câblier qui remorque au fond de la mer un chariot de pose du câble traversé par le câble et qui comporte des moyens de guidage du passage du câble dans le chariot. L'invention concerne plus particulièrement la pose des câbles sous-marins de télécommunications. Afin d'être à l'abri des dommages que pourraient leur causer les ancres des navires ou les chaluts de pêche, les câbles sous-marins de télécommunications sont posés sur le fond de la mer selon la technique dite de l'ensouillage. Afin d'enterrer le câble au fur et à mesure de son déroulement, le navire câblier remorque une charrue qui glisse sur le fond de la mer et dont le soc creuse une tranchée d'une profondeur d'environ 1 mètre Le câble de télécommunications est déroulé depuis le navire câblier au fur et à mesure de l'avance de ce dernier et est guidé dans l'axe de la charrue pour finalement tomber au fond de la tranchée, la charrue étant éventuellement équipée à sa partie arrière de moyens pour refermer la tranchée sur le câble ainsi posé. Les risques d'accrochage par les chaluts ou les ancres existent et rendent nécessaire une telle technique de pose jusqu'à des profondeurs pouvant atteindre 1000 mètres. Cette technique réduit de manière importante la fréquence des réparations à effectuer sur les câbles sous- marins mais présente néanmoins des inconvénients On réduit par principe l'effort de tension interne dans le câble en essayant de le dérouler de telle façon qu'il soit sensible- ment tangent à l'horizontale à son point d'entrée dans la charrue La vitesse d'avance du navire câblier et de la charrue qu'il remorque et les efforts hydrodynamiques appliqués au câble qui en résultent sont de faibles valeurs et le câble de télécommunications adopte, entre le navire et la charrue, la forme d'une "'chaînette". La tension longitudinale dans le câble peut atteindre 40 k N à l'entrée de la charrue et 60 k N à la sortie du navire câblier, une tension de 40 k N restant appliquée sur toute la longueur du câble posé et/ou enterré au fond de la mer. Les câbles de télécommunications les plus récents comportent des fibres optiques qui permettent un plus grand débit de transmission d'informations Grâce aux fibres optiques, les câbles de télécommunications transocéaniques peuvent concurrencer avantageusement, en performances et en coûts les télécommunications hertziennes relayées par satellites. Les câbles comportant des fibres optiques peuvent supporter des charges de traction longitudinale atteignant 6 tonnes, mais ceci uniquement de manière transitoire. Si des charges élevées sont appliquées en perma- nence aux fibres optiques, les câbles perdent leurs qualités par affaiblissement ou suppression des signaux transmis. Il est donc nécessaire que la tension longitudi- nale interne dans les câbles de télécommunications à fibres optiques soit maintenue à une valeur faible, par exemple inférieure à 5 k N, une fois que le câble est posé sur le fond. On sait par ailleurs que les fonds sous-marins ne sont pas plats Un profil caractéristique des fonds sous- marins est constitué par des ondulations similaires à une série de dunes espacées de 100 à 200 mètres avec des creux pouvant atteindre 30 mètres Sur un fond présentant un tel profil, un câble posé au fond et qui est soumis en perma- nence à un important effort de tension longitudinale a tendance à se redresser pour se rapprocher des droites tangentes aux sommets de deux dunes consécutives Le câble sort alors de la tranchée o la charrue l'a posé préalable- ment et n'est donc plus à l'abri des ancres et des chaluts des navires. Pour les diverses raisons qui viennent d'être exposées, il est donc nécessaire de réduire au maximum la tension longitudinale interne du câble posé. Il est toutefois nécessaire que la tension du câble, une fois posé, puisse être réglée à une valeur déterminée comprise entre O et 5 k N En effet, il ne faut pas que la tension soit trop faible car le câble qui était préalablement enroulé en hélice à bord du navire câblier, est soumis à des tensions élevées dans sa traversée de la hauteur d'eau et il aurait tendance, une fois posé sur le fond, à faire des ondulations et/ou des boucles qui seraient préjudiciables à sa pose correcte dans la tranchée. Diverses solutions ont déjà été proposées pour satisfaire à cette exigence. Il a par exemple été proposé de supprimer la mise en "chaînette" du câble qui est à l'origine de la tension interne dans le câble posé A cet effet il suffit de dérouler le câble suffisamment vite quand le navire câblier avance Le câble descend alors au fond de l'eau sensiblement verticalement et sa tension sur le fond est nulle Sa tension à la sortie du navire est égale au poids dans l'eau de la longueur de câble égale à la profondeur et, dans les condi- tions exposées précédemment, elle est seulement de 26 k N. Mais le câble ainsi déposé sur le fond à tension nulle présente alors des ondulations entre le point o il prend contact avec le sol et le point d'entrée dans la charrue de pose, soit sur une distance d'environ 1500 mètres dans l'exemple précédent Pour que le câble pénètre alors correc- tement dans la charrue, c'est-à-dire qu'il soit orienté dans l'axe de cette dernière, il faut que la charrue remorquée par le navire soit pilotée en direction sur le fond ce qui nécessite un système complexe qui ne donne pas entièrement satisfaction. Il a également été proposé une deuxième solution pour supprimer la mise en "'chaînette" du câble qui consiste à guider ce dernier le long du câble de remorquage de la charrue dans un tube de guidage accroché au câble de remor- quage Le câble de télécommunications pénètre ainsi correcte- ment dans la charrue et la tension du câble à la sortie du navire est réduite par l'effet de son frottement dans le tube de guidage. Mais un tel tube de guidage est constitué d'élé- ments de tuyaux en matière plastique d'environ un mètre de longueur, soit plus de 1700 tuyaux dans les conditions de d'exemple précédent, qui doivent être accrochés ou décro- chés du câble de remorquage selon que ce dernier est déroulé ou ravalé lorsque la profondeur varie Cette dernière opération est complexe et cette seconde solution n'est donc pas non plus entièrement satisfaisante. La présente invention a pour but de proposer un système qui permet de résoudre de manière simple et fiable les problèmes inhérents aux techniques de pose de l'art antérieur. Dans ce but l'invention propose un système pour la pose d'un câble sous-marin du type mentionné plus haut, caractérisé en ce que le chariot comporte-des moyens pour faire varier la tension longitudinale du câble au cours de son passage dans le chariot. Selon d'autres caractéristiques de l'invention les moyens pour faire varier la tension du câble lui appliquent un effort longitudinal de traction dans le sens du déplacement du câble par rapport au chariot; les moyens pour appliquer l'effort de traction sur le câble comportent un appareil d'entraînement par friction sans glissement qui coopère avec la surface externe du câble; l'appareil d'entraînement comporte aux moins deux roues opposées d'axes parallèles dont l'une au moins est motrice et qui serrent entre elles le câble en lui appliquant une pression transversale déterminée; l'appareil d'entraînement comporte une bande ou une chenille supportée par des rouleaux et entraînée par la roue motrice, et un chemin de roulement rectiligne, à roues ou à galets, qui est parallèle au plan de la bande motrice et qui presse le câble contre la face en vis-à-vis de la bande motrice pour lui appliquer la pression trans- versale déterminée; le système comporte un dispositif de régulation de l'effort de traction longitudinale appliqué au câble en fonction de paramètres représentatifs de l'état du câble; le dispositif de régulation comporte un capteur de la valeur de la tension du câble à la sortie de l'appareil d'entraînement et la commande du moteur d'entraî- nement de la roue motrice est asservie à cette valeur de tension du câble; le moteur d'entraînement de la roue motrice est par exemple un moteur hydraulique; et le dispositif de régulation comporte un capteur du profil du câble en aval de l'appareil d'entraînement. La description qui va suivre, en regard des des- sins annexés à titre d'exemples non limitatifs, permettra de bien comprendre comment l'invention peut être mise en pratique. La figure 1 est une vue schématique en perspective de l'ensemble d'un système de pose d'un câble sous-marin de télécommunications. La figure 2 est une vue schématique en coupe partielle de l'avant d'un navire câblier pour la pose d'un câble sous-marin. La figure 3 est une vue schématique partielle en coupe d'une charrue de pose d'un câble sous-marin réalisée conformément aux enseignements de l'invention. La figure 4 est un schéma-bloc illustrant la commande du dispositif d'entraînement du câble. On reconnaît à la figure 1 un navire câblier 10 pour la pose d'un câble sous-marin de télécommunications 12. Le navire 10 remorque, à l'aide d'un câble de remorquage 14, une charrue de pose 16 qui creuse dans le fond 18 de la mer 20 une tranchée 22 prévue pour recevoir le câble 12. Le navire 10 est également relié à la charrue 16 par un câble 24 qui alimente la charrue en énergie électri- que et transmet diverses informations et signaux dans les deux sens entre le navire 10 et la charrue 16 En particu- lier un capteur de pression (non représenté) monté sur la charrue 16 indique au navire 10 la cote d'immersion ZM de la charrue 16. L'effort important appliqué sur le soc de la charrue qui est nécessaire pour creuser la tranchée 22 dans le sol 18 tend le câble de remorquage 14 La longueur du câble de remorquage 14 est réglée par un treuil (non représenté) monté à l'arrière du navire. Pour une profondeur mesurée ZM donnée, la longueur du câble de remorquage 14 est déterminée pour que le câble 14 soit légèrement incliné par rapport à l'horizontale et ne tende pas à faire décoller la charrue 16 du fond 18. Le câble de remorquage 14 fait ainsi un angle d'environ 30 degrés par rapport à l'horizontale. Dans un exemple d'application dans lequel la profondeur de la mer est de 900 mètres, il en résulte un recul de la charrue 16 par rapport au navire 10 d'environ 1500 mètres. En revanche le câble de télécommunications 12 n'est pas tendu En augmentant la longueur du câble 12, dans la tranche d'eau, par déroulement à partir du navire 10, on réduit de manière avantageuse l'effort de tension longi- tudinale interne du câble en ses divers points Le câble 12 s'abaisse progressivement jusqu'à devenir sensiblement tangent à la charrue 16 au point o il pénètre dans cette dernière. Un tel câble de télécommunications 12, sur lequel les efforts hydrodynamiques sont faibles par rapport à son poids, prend sensiblement la forme d'une chaînette dont la longueur, dans l'exemple considéré, est de 1800 mètres. Pour une masse linéique immergée, c'est-à-dire compte tenu de la réduction du-e à la poussée d'Archimède, de 3 kg/m l'effort de tension longitudinale interne du câble atteint 41 k N appliqués horizontalement à hauteur de la charrue et 67 k N appliqués obliquement à la sortie du navire. Même s'ils sont appliqués sur un câble comportant des fibres optiques, de tels efforts n'affectent pas durablement le comportement des fibres optiques à condition que les efforts ne soient appliqués que pendant la durée suffisamment courte de la pose de chaque élément fini du câble, c'est-à-dire, si le navire avance à la vitesse de 1 mètre par seconde, pendant une demi-heure. Le câble de télécommunications 12 est immergé dans l'eau depuis l'avant ou l'arrière du navire câblier 10 de telle façon que, par son poids et sa courbure, il soit toujours situé en avant et au-dessous du câble de remorquage 14. Le câble d'alimentation et de télécommande 24 est muni de flotteurs 26 régulièrement espacés sur toute sa longueur de façon à augmenter sa flottabilité et sa traînée hydrodynamique pour qu'il soit toujours fixé au-dessus et en arrière du câble de remorquage 14. A la figure 2 on voit comment le câble 12 est immergé à l'avant 28 du navire 10 en passant sur une poulie à gorge 30. Le câble 12 provient d'une cuve 32 disposée dans la cale du navire 10 dans laquelle il est stocké enroulé suivant un cylindre, lové avec une torsion angulaire d'un tour par spire, de manière à être dévidé sans torsion. Entre la cuve 32 et la poulie à gorge 30, le câble 12 est entraîné longitudinalement par une machine d'entraînement dite "l à pneus". Dans cette machine 34, le câble 12 est serré entre plusieurs paires de roues à pneus Les roues entraînent le câble par friction sans glissement pour le tirer et l'extraire de la cuve 32 et le retiennent dans le sens inverse lorsqu'il est entraîné par son propre poids à sortir du navire. Un capteur 36 mesure la valeur de la tension longitudinale TN dans le câble à sa sortie du navire 10. Dans l'exemple évoqué précédemment, on a vu que cet effort qui est sensiblement proportionnel à la profon- deur de la mer est d'environ 67 k N pour une immersion de la charrue à une cote ZM de 900 mètres de façon que le câble de télécommunications 12 pénètre dans la charrue selon une direction horizontale sensiblement tangente à celle-ci. L'opérateur 38 qui surveille les opérations de dévidage du câble 12 sur le navire a pour consigne, en lisant l'indication de la valeur TN fournie par le capteur 36, de maintenir cette tension à la valeur indiquée de 67 k N. A cet effet l'opérateur fait varier la pression d'alimenta- tion du moteur hydraulique de la machine à pneus 34, l'effort de traction appliqué au câble étant sensiblement proportion- nel à la valeur de cette pression. La charrue 16 représentée à la figure 3 est une charrue d'ensouillage remorquée par le câble 14. La charrue 16 est équipée à l'avant d'un patin 40 et à l'arrière de deux patins latéraux 42 grâce auxquels elle glisse sur le fond 18 de la mer. Le soc 44 de la charrue 16 est disposé entre les deux patins latéraux arrière 42 et pénètre dans le sol 18 sur une profondeur d'environ 1 mètre. Du fait du profil du soc 44 et du poids de la charrue 16, bien que celuici soit diminué de la composante verticale de l'effort de traction appliqué à la charrue 16 par le câble de remorquage 14, le soc 44 reste enfoncé dans le sol 18 Lorsque la charrue avance avec le navire câblier 10 qui déroule le câble de télécommunications 12, ce dernier entre dans la charrue à l'avant, à gauche en considérant la figure, et la traverse pour en ressortir à l'arrière. A l'arrière de la charrue 16, un bras 46 de pous- sée du câble 12 muni de galets à gorge 48 force le câble 12 à pénétrer et à s'enfoncer dans la tranchée 22 creusée par le soc 44. Conformément à l'invention, lors de son passage dans la charrue 16, le câble 12 traverse un appareil 50 qui a pour but de faire varier, en la réduisant, la tension longidutinale interne du câble entre son entrée E et sa sortie S. Le dispositif 50 est un appareil d'entraînement par friction sans glissement du câble 12 qui comporte une bande en forme de chenille motrice 52 montée sur deux roues 54 et 56 et dont le brin supérieur 58 est supporté sensible- ment horizontalement par des rouleaux 60. La roue 54 est une roue motrice entraînée en rotation par un moteur hydraulique 62. Le câble 12 passe sur la face supérieure plane du brin supérieur 58 de la chenille 52 contre laquelle il est pressé par un chemin de roulement 64 muni de galets. Le chemin de roulement 64 presse le câble 12 contre la chenille 52 au moyen d'un vérin hydraulique 67. Sans sortir du cadre de l'invention, la chenille 52 et le chemin de roulement 64 pourraient bien entendu être remplacés par tout autre appareil similaire tel que par exemple une machine à pneus semblable à la machine 34 qui équipe le navire câblier 10. La charrue 16 est également équipée d'un capteur de la valeur de la tension longitudinale de sortie mesurée TSM du câble après son passage dans l'appareil d'entraîne- ment 50. Le capteur est constitué par un levier 68 qui est articulé à l'une de ses extrémités sur le bras 46 et il supporte les galets 48 Le câble 12 subissant un changement de direction d'environ 70 degrés lors de son passage sur les galets 48, la valeur de la tension longitudinale interne qu'il subit se traduit par une force appliquée au levier 68 qui est mesurée par un capteur d'efforts 70. Le câble 12 qui est très raide en flexion présente sensiblement la forme d'un "S" entre sa sortie de l'appareil et son passage sur les galets 48 Le profil en "S" du câble 12 varie beaucoup avec la tension interne du câble. La charrue est également équipée d'un dispositif détecteur de "mou" qui est installé sur le bras 46 et qui doit fournir un signal représentatif du profil du câble en aval de la sortie "S" de l'appareil 50. Ce capteur est constitué par un bras 72 qui porte une poulie à gorge 74 qui prend appui sur le câble 12 et actionne en rotation un capteur de déplacement angulaire 76. Le capteur 76 fournit un signal BM qui, dans une certaine plage, représente de manière très précise la valeur du mou BM quand la tension dans le câble 12 est nulle ou négative. Outre le capteur de pression déjà mentionné, la charrue comporte également un capteur angulaire 78 qui permet de mesurer la courbure du câble à son entrée dans la charrue ainsi qu'un capteur tachymétrique (non représen- té) qui mesure la vitesse de rotation NM de la roue motrice 54. Une centrale hydraulique, non représentée, comportant notamment un moteur électrique asynchrone, une pompe hydraulique à débit variable et un dispositif limiteur de pression à commande proportionnelle permet d'alimenter le moteur hydraulique lent 62 du dispositif d'entraînement 50. L'effort de traction exercé par l'appareil 50 sur le câble 12 dans le sens correspondant à son sens de déplacement par rapport à la charrue 16, est sensiblement proportionnel à la pression hydraulique PM fournie au moteur 62. En fonctionnement, le dispositif d'entraînement 50 applique donc au câble 12 un effort de traction qui est opposé à l'effort de tension longitudinale interne appliqué au câble avant son entrée dans la charrue 16 et qui vient donc en soustraction de cet effort de tension interne. La tension longitudinale interne du câble 12 à la sortie "S" de l'appareil 50 est donc égale à la différence entre la valeur de la tension interne du câble à l'entrée E moins l'effort de traction qui lui est appliqué par l'appareil 50. L'appareil 50 fait ainsi fonction de réducteur de la tension interne du câble 12. Grâce au capteur 70 de la tension de sortie mesurée TSM, on peut mesurer la tension interne régnant dans le câble de télécommunications 12 à l'endroit même de son entrée dans la tranchée 22 dans laquelle on veut que la tension du câble posé soit nulle ou du moins très faible. Afin de contrôler cette tension, le moteur hydraulique d'entraînement 62 de l'appareil 50 est asservi selon le schéma de régulation illustré à la figure 4. La tension TSM du câble posé au fond est comparée à la tension de sortie commandée TSC affichée par l'opéra- teur dans un comparateur 80. Selon que l'écart entre les valeurs TSM et TSC est positif ou négatif, un régulateur 82 de la pression de commande du moteur d'entraînement 62 augmente ou réduit la valeur de la pression hydraulique PCR fournie au moteur 62 et donc la valeur de l'effort de traction appliqué au câble 12 par l'appareil 50 Le pas de calcul qui permet de faire varier la pression PCR est de l'ordre de quelques dixièmes de secondes. La variation de la forme en S oudu "mou" du câble mesurée par le capteur angulaire 76 permet de contrôler avec précision les valeurs faibles de la tension de sortie TSM Ainsi le signal de sortie mesuré BM de ce capteur 76 1 1 est comparé avec une valeur de commande BC, affichée par l'opérateur, dans un correcteur 84 du mou du câble en aval de l'appareil 50 Le correcteur 84 calcule une variation de pression hydraulique PC qui augmente ou réduit la force de traction appliquée sur le câble 12 par l'appareil 50 et contribue ainsi à l'asservissement de l'ensemble. Enfin, il est nécessaire de pallier les retards inhérents à l'inertie et aux frottements de l'ensemble des composants du système mécanique en anticipant les divers phénomènes pour la valeur de commande à donner au moteur 62. Cette correction est effectuée à l'aide d'un correcteur 86 de la valeur de traction appliquée au câble 12 à l'entrée dans la charrue 16, qui effectue une pondération en fonction de la vitesse de rotation NM et de la pression d'alimentation PM du moteur 62, de la tension TN interne du câble 12 à sa sortie du navire câblier 10 et de la profondeur d'immersion ZM mesurée par le capteur de pres- sion de la charrue 16. Si la manoeuvre de la machine à pneus 34 crée inopinément une augmentation de la tension TN à la sortie du navire ou si la profondeur ZM augmentait rapidement, ceci se traduirait par une augmentation de la tension interne du câble à la sortie de la charrue, compte tenu de l'inertie mécanique du système Grâce au correcteur 86, il est possible d'anticiper sur cet accroissement en augmentant sans retard la pression d'alimentation PM du moteur 62 de l'appareil 50 grâce à un algorithme de calcul mis en oeuvre par le correcteur 86 qui permet de déterminer une valeur de pression supplémentaire PA d'alimentation du moteur 62. Des interrupteurs numériques IA, IR et IC permet- tent d'activer les trois boucles de commande d'asservisse- ment du moteur 62. Le schéma-bloc de la figure 4 illustre comment l'appareil 50 qui coopère avec le câble 12 soumis d'une part à sa pression hydraulique d'alimentation et d'autre part en fonction de la tension d'entrée du câble dans la charrue 16, permet d'obtenir une tension de sortie TSM et un mou BM dans le câble. Selon une autre particularité de l'invention, tous les calculs relatifs à l'asservissement sont effectués par un micro-ordinateur installé sur le navire câblier 10. Un clavier de commande est utilisé par l'opéra- teur pour introduire les données Les ordres de commande sont ensuite envoyés par le micro-ordinateur ou par l'opéra- teur, selon que le mode de fonctionnement est en automatique ou en manuel, par le câble 24 à la charrue 16. L'écran de l'ordinateur permet à l'opérateur de contrôler ses interventions et de connaître l'état de fonctionnement du système l'ensemble des informations et des signaux transite dans les deux sens par le câble de télécommande 24. Le système qui vient d'être décrit s'applique aussi bien à la pose de câbles de transmission qu'à des câbles d'alimentation électrique ou à des tuyaux souples véhiculant des gaz ou autres fluides, ensouillés ou non. REVENDICATIONS 1 Système pour la pose sur un fond sous-marin ( 18) d'un câble ( 12) ou d'un tuyau souple stocké dans un navire câblier ( 10) qui remorque au fond de la mer un chariot ( 16) de pose du câble ( 12) traversé par le câble ( 12) et qui comporte des moyens de guidage du passage du câble ( 12) dans le chariot ( 16), caractérisé en ce que le chariot comporte des moyens ( 50) pour faire varier la tension longitudinale du câble ( 12) au cours de son passage dans le chariot ( 16). 2 Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens ( 50) pour faire varier la tension du câble lui appliquent un effort longitudinal de traction dans le sens du déplacement du câble ( 12) par rapport au chariot ( 16). 3 Système selon la revendication 2, caractérisé en ce que les moyens pour appliquer un effort de traction sur le câble comportent un appareil d'entraînement par friction sans glissement ( 50) qui coopère avec la surface externe du câble ( 12). 4 Système selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'appareil d'entraînement ( 50) comporte au moins deux roues opposées d'axes parallèles dont l'une au moins ( 54) est motrice et qui serrent entre elles le câble ( 12) en lui appliquant une pression transversale déterminée. Système selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'appareil d'entraînement ( 50) comporte une bande ou une chenille ( 52) supportée par des rouleaux ( 60) et entraînée par la roue motrice ( 54) et un chemin de roule- ment rectiligne ( 64) à roues à galets, qui est paral- lèle au plan de la bande motrice ( 52) et qui presse le câble ( 12) contre la face en vis-à-vis ( 58) de la bande motrice ( 52) pour appliquer au câble ( 12) la pression transversale déterminée. 6 Système selon l'une quelconque des revendica- tions 3 à 5, caractérisé en ce qu'il comporte un dispositif de régulation de l'effort de traction longitudinal appliqué au câble en fonction de paramètres représentatifs de l'état du câble. 7 Système selon la revendication 6, caractérisé en ce que le dispositif de régulation comporte un capteur ( 70) de la valeur de la tension du câble à la sortie (S) de l'appareil d'entraînement ( 50). 8 Système selon la revendication 7 prise en combinaison avec l'une des revendications 4 ou 5, caracté- risé en ce que la commande du moteur d'entraînement ( 62) de la roue motrice ( 54) est asservie à ladite valeur de la tension du câble ( 12). 9 Système selon la revendication 8, caractérisé en ce que le moteur d'entraînement ( 62) est un moteur hydraulique. Système selon l'une quelconque des revendica- tions 6 à 9, caractérisé en ce que le dispositif de régula- tion comporte un capteur ( 76) du profil du câble ( 12) en aval de l'appareil d'entraînement ( 50).