Brevet FR2703021A1 — publié le 19940930

DISPOSITIF PASSIF D'AMORTISSEMENT DYNAMIOUE DES MOUVEMENTS DE DERIVE D ' UN SUPPORT FLOTTANT A ANCRAGE SOUPLE L'invention concerne un dispositif passif d'amortissement dynamique des mouvements de dérive d'un support flottant à ancrage souple1 tel en particulier qu'une plate-forme de forage en mer. Lorsque les fonds marins sont à une profondeur comprise approximativement entre 200 et 400 m, les plateformes de forage utilisées notamment pour l'exploration et la recherche de pétrole, sont du type flottant et sont ancrées au fond par des câbles tendus constituant une fixation relativement souple. Bien que ces fixations aient une fréquence propre largement inférieure à la fréquence de la houle ou des vagues, il arrive qu'elles soient excitées à cette fréquence propre par la houle ou les vagues et les plateformes flottantes ont alors des mouvements de dérive lente dont l'amplitude peut atteindre une dizaine de mètres, qui fatiguent beaucoup les câbles d'ancrage et se traduisent par une réduction très importante de la durée de service de ces plate-formes. I1 est donc souhaitable de réduire et d'amortir autant que possible ces mouvements de dérive lente résultant de l'effet de la houle ou des vagues L'invention propose dans ce but un dispositif passif d'amortissement dynamique des mouvements de dérive drun support flottant à ancrage souple, tel en particulier qu'une plate-forme de forage en mer, le support ou la plate-forme comprenant des jambes rigides qui s'étendent sous la surface de l'eau et qui sont ancrées au fond par des câbles tendus, caractérisé en ce qu'il comprend des cylindres rigides entourant avec un jeu radial au moins certaines des jambes précitées sous la surface de l'eau, et des moyens de suspension élastique à raideur prédéterminée qui relient les cylindres aux jambes précitées en permettant un déplacement des cy lindres par rapport aux jambes dans des directions sensiblement horizontales, ces cylindres et leurs moyens de suspension constituant, avec l'eau emprisonnée entre les cylindres et les jambes, des oscillateurs résonnants à inertie fluide amplifiée s'opposant aux mouvements de dérive lente du support ou de la plate-forme, en particulier sous l'effet de la houle et des vagues. Le dispositif selon l'invention est donc du type passif et présente l'avantage, par rapport aux systèmes dits "actifs", de ne pas consommer d'énergie. I1 permet par ailleurs un amortissement dynamique des mouvements de dérive lente sans être trop volumineux, grâce à un effet d'amplification d'inertie fluide, le fluide étant avantageusement dans ce cas l'eau dans laquelle la base de la plate-forme est immergée. Cet effet d'amplification de l'inertie fluide permet de gagner un facteur de l'ordre de 100 sur les surfaces mises en jeu, par rapport au cas d'un amortisseur classique de type statique qui est sensible uniquement à une vitesse de déplacement. En outre, grâce à la symétrie de révolution des cylindres entourant les jambes le fonctionnement du dispositif selon l'invention est totalement indépendant de la direction de la houle et des vagues. Selon une autre caractéristique de l'invention, les moyens de suspension des cylindres précités sont des câbles tendus. Ces câbles peuvent être réalisés en acier et éventuellement associés à des ressorts, dans le cas où les moyens de suspension des cylindres doivent avoir une déformation élastique supérieure à celle de l'acier. Lorsque l'on souhaite augmenter l'effet d'amortissement, on peut prévoir des trous ou orifices de passage d'eau dans les parois des cylindres. De façon générale, le dispositif selon l'invention permet, sans consommer d'énergie, de réduire d'au moins un facteur 10 les amplitudes des mouvements de dérive lente auxquelles sont soumises les plate-formes flottantes à ancrage souple sous l'effet de la houle ou des vagues. Il en résulte une diminution importante de la fatigue des câbles d'ancrage et une augmentation sensible de la durée de service de ces plate-formes. L'invention sera mieux comprise et d'autres caractéristiques, détails et avantages de celle-ci apparaitront plus clairement à la lecture de la description qui suit, faite à titre d'exemple en référence aux dessins annexés dans lesquels la figure 1 représente schématiquement une plate-forme flottante à ancrage souple; la figure 2 est une vue schématique d'un oscillateur faisant partie du dispositif selon l'invention; la figure 3 représente, de façon plus détaillée, une partie des moyens de suspension du cylindre de cet oscillateur; la figure 4 est un graphe illustrant l'efficacité du dispositif selon l'invention. On se réfère d'abord à la figure 1 où l'on a représenté une plate-forme flottante à ancrage souple, d'un type utilisé par exemple en Mer du Nord, et qui comprend une structure rigide 10 dont la partie supérieure est située au dessus du niveau 12 de la mer et comporte les équipements voulus et dont la partie inférieure comprend des jambes rigides 14 sensiblement cylindriques et verticales qui sont au moins en partie immergées et qui sont reliées par des câbles 16 tendus à des moyens 18 d'ancrage au fond, à une profondeur de l'ordre de 300 m par exemple. Une telle plate-forme a par exemple un déplacement de l'ordre de 100 000 tonnes. Comme cela a été expliqué ci-dessus, elle peut être soumise à des mouvements de dérive lente sous l'effet de la houle ou des vagues, ces mouvements ayant une période très longue supérieure à celle de la houle ou des vagues et une amplitude qui peut atteindre 10 mètres environ. Le dispositif qui va maintenant être décrit en référence aux figures 2 et 3, permet d'amortir ces mouvements de dérive lente et de réduire considérablement leur amplitude, en réduisant du même coup les contraintes et les phénomènes de fatigue dans les câbles d'ancrage 16 et en augmentant considérablement la durée de service de ces plate-formes. Le dispositif selon l'invention comprend des moyens passifs d'amortissement dynamique des mouvements de dérive de la plate-forme, ces moyens étant constitués par des cylindres creux 20 qui entourent les jambes 14 de la plate-forme avec un jeu radial et qui sont suspendus à ces jambes par des moyens élastiquement déformables à raideur déterminée tels par exemple que des câbles tendus 22 qui s'étendent vers le haut et vers le bas respectivement à partir des bords supérieur et inférieur des cylindres 20. Chaque cylindre 20 constitue une masse oscillante élastiquement suspendue, qui peut se déplacer par rapport à la jambe 14 dans un plan horizontal sur une distance au plus égale au jeu radial entre ce cylindre et la jambe 14. Le déplacement d'un cylindre 20 par rapport à une jambe 14 se traduit par un "laminage" de l'eau contenue entre le cylindre et la jambe, et par un déplacement de l'eau autour du cylindre 20. Dans ces conditions, la masse oscillante d'un tel système est constituée par la somme de la masse du cylindre 20 et d'une masse ajoutée, cette masse ajoutée étant égale à la masse de l'eau contenue entre le cylindre 20 et la jambe 14, multipliée par un coefficient d'amplification ayant une valeur supérieure à 1. Lorsque ce coefficient a une valeur par exemple de l'ordre de 3 ou davantage, on obtient les mêmes effets d'inertie qu'avec une masse d'eau déplacée au moins trois fois supérieure. Le déplacement de l'eau dans le cylindre et à l'extérieur du cylindre se traduit également par un amortissement de l'excitation, du fait de l'eau qui entre dans l'espace compris entre le cylindre et la jambe et qui en sort, au cours des déplacements du cylindre. Si nécessaire, cet effet d'amortissement peut être renforcé au moyen de trous ou de passages d'eau formés à travers la paroi du cylindre, comme représenté en 24 en figure 2. Le comportement des oscillateurs constitués par les cylindres 20 et leurs moyens de suspension 22 varie en fonction de leur dimensionnement et de la raideur des moyens de suspension. La fréquence propre ou fréquence de résonance de l'ensemble des systèmes oscillants constitués par les cylindres 20 et leurs moyens de suspension est sensiblement égale ou voisine de celle de l'ancrage souple de la plate-forme. La fréquence de résonance de cet ancrage souple étant connue, on détermine les caractéristiques de masse et de raideur de l'ensemble des systèmes oscillants précités par la formule F K étant la raideur des suspensions et M la masse oscillante totale. Grâce à cette égalité ou quasi-égalité des fréquences propres de l'ancrage de la plate-forme et de l'ensemble des systèmes oscillants, toute tendance à la dérive de la plate-forme à cette fréquence sous l'effet de la houle ou des vagues se traduit automatiquement par une résonance ou quasi-résonance des oscillateurs constitués par les cylindres précités et leurs moyens de suspension, ce qui annule ou- réduit très fortement la dérive de la plate-forme à la fréquence précitée. L'oscillation des cylindres est par ailleurs amortie par le déplacement de l'eau à l'intérieur et à l'extérieur des cylindres, ce qui a pour effets de dissiper ou consommer de l'énergie, et d'élargir la bande de fréquences pour laquelle les dérives de la plate-forme sont annulées ou réduites par le dispositif selon l'invention. De préférence, les moyens de suspension 22 sont des câbles tendus en acier. Pour obtenir le comportement voulu des systèmes oscillants, on peut jouer sur le nombre et la longueur des câbles 22. On peut également, si nécessaire, associer les câbles en acier 22 à des ressorts 26 comme représenté , par exemple dans le cas où l'allongement des moyens de suspension doit être supérieur à ce que l'on peut obtenir avec des câbles d'acier. On peut également, dans certains cas, utiliser des câbles en une matière différente, par exemple en une matière plastique présentant des caractéristiques mécaniques élevées. I1 peut également être avantageux d'utiliser une disposition particulière des câbles de suspension, comme représenté en figure 3. Dans cette disposition, les câbles 22 sont réunis deux à deux à leurs extrémités, au niveau de leur fixation sur le cylindre 20 et sur la jambe 14 respectivement, et sont de plus entrecroisés deux à deux. Dans l'exemple représenté, la partie supérieure du cylindre 20 est supportée par quatorze câbles, fixés en sept points 28 sur le bord supérieur du cylindre 20 et sept points 30 sur la périphérie de la jambe 14. Cette disposition permet une réduction sensible de la longueur des câbles de suspension et une immobilisation du cylindre 20 en rotation autour de son axe. Pour fixer les idées, on va donner ci-dessous deux exemples de dimensionnement d'un dispositif selon l'invention, destiné à équiper une plate-forme flottante à ancrage souple ayant un tirant d'eau de l'ordre de 100 000 tonnes. Dans ie premier exemple, on suppose que le diamètre de chacune des quatre jambes 14 de la plateforme est de 10 m. Dans ce cas, on montera un cylindre 20 ayant un diamètre interne de 16 m et une hauteur d'environ 10 m autour de chaque jambe 14, la masse totale de ces cylindres étant de l'ordre de 780 tonnes, la masse oscillante totale y compris la masse d'eau ajoutée étant de 10 000 tonnes (soit 10% de celle de la plate-forme), le coefficient d'amplification de masse étant de l'ordre de 3,3. Dans le deuxième exemple, on suppose que le diamètre des jambes 14 est de l'ordre de 18 m. Dans ce cas, les cylindres 20 montés autour de ces jambes ont un diamètre interne de 28 m et sont suspendus à des câbles 22 ayant un diamètre de l'ordre de 20 mm et une longueur de l'ordre de 30 m, disposés comme représenté en figure 3. La masse oscillante totale est de l'ordre de 10 000 tonnes comme dans l'exemple précédent. La fréquence propre de ce dispositif est d'environ 1/70Hz, ce qui correspond approximativement à la fréquence propre de la plate-forme (la fréquence de la houle étant par exemple de l'ordre de 1/20Hz). Dans les deux exemples ci-dessus, le jeu radial entre un cylindre 20 et la jambe 14 correspondante est (au repos) de 3 m ou de 5 m respectivement. L'amplitude des mouvements du cylindre 20 par rapport à la jambe 14 peut sans inconvénient atteindre ces valeurs dans la mesure où les chocs qui tendraient à se produire entre le cylindre et la jambe sont amortis par l'eau qui se trouve entre eux. Le dispositif selon l'invention est extrêmement efficace au voisinage immédiat de la fréquence propre pour laquelle il a été dimensionné. A cette fré quence et pour les amplitudes faibles, la dérive de la plate-forme est totalement absorbée. En d'autres termes, la plate-forme reste immobile et les cylindres du dispositif selon l'invention oscillent lentement par rapport aux jambes de la plate-forme. On a représenté en figure 4 la variation de l'amortissement fourni par le dispositif selon l'invention, en fonction de la fréquence d'oscillation. Plus précisément, la courbe de la figure 4 représente, pour un oscillateur ayant une masse totale égale à 108 de la masse à amortir, les variations du rapport de l'amplitude dynamique Ad et de l'amplitude statique As du mouvement de la plate-forme en fonction du rapport F/Fc, où F est la fréquence du mouvement de la plate-forme et Fc est la fréquence de coupure ou fréquence propre du dispositif selon l'invention. On voit que ce dispositif permet de réduire d'un facteur 10 environ l'amplitude de la dérive de la plate-forme, sur une assez large bande de fréquences de part et d'autre de la fréquence de coupure, grâce à une masse oscillante relativement élevée. REVENDICATIONS 1. Dispositif passif d'amortissement dynamique des mouvements de dérive d'un support flottant à ancrage souple, tel en particulier qu'une plate-forme de forage en mer, le support ou plate-forme comprenant des jambes rigides (14) qui s'étendent sous la surface de l'eau et qui sont ancrées au fond par des câbles tendus (16), caractérisé en ce qu'il comprend des cylindres rigides (20) entourant avec un jeu radial au moins certaines des jambes précitées sous la surface de l'eau, et des moyens (22) de suspension élastique à raideur prédéterminée qui relient les cylindres (20) aux jambes (14) précitées en permettant un déplacement des cylindres par rapport aux jambes dans des directions sensiblement horizontales, ces cylindres et leurs moyens de suspension constituant, avec l'eau emprisonnée entre les cylindres et les jambes, des oscillateurs résonnants à inertie fluide amplifiée s'opposant aux mouvements de dérive lente du support ou de la plate-forme, en particulier sous l'effet de la houle et des vagues. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la fréquence propre de l'ensemble desdits oscillateurs est voisine de celle du support ou de la plate-forme à ancrage souple. 3. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les moyens de suspension des cylindres (20) sont des câbles tendus (22). 4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que les extrémités supérieure et inférieure de chaque cylindre (20) sont reliées à la jambe (14) correspondante par des câbles (22) qui s'étendent vers le haut et vers le bas respectivement. 5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que les câbles de suspension d'une extrémité d'un cylindre (20) sont entrecroisés. 6. Dispositif selon l'une des revendications 3 à 5, caractérisé en ce que les câbles de suspension des cylindres (20) sont en acier et sont reliés à des ressorts (26) 7. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la paroi de chaque cylindre (20) comporte des trous ou orifices (24) de passage d'eau. 8. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que, dans le cas d'une plate-forme de forage en mer ayant un déplacement de l'ordre de 100 000 tonnes, lesdits oscillateurs résonnants ont une masse oscillante totale de l'ordre de 10 000 tonnes, cette masse oscillante étant constituée de la masse des cylindres (20) précités augmentée d'une masse ajoutée, celle-ci étant égale au produit de la masse d'eau déplacée par les cylindres (20) et d'un coefficient d'amplification ayant une valeur supérieure à 1 et par exemple de l'ordre de 3 ou davantage.