Brevet FR2753682A1 — publié le 19980327

La présente invention se rapporte à un ensemble de flottaison à pilonnement contrôlé et, plus particulièrement, à un tel ensemble destiné à soutenir, hors de l'eau, le pont d'une plate-forme pétrolière flottante. Les plates-formes pétrolières flottantes sont assujetties au mouvement de la houle qui, lors de son passage, fait varier le tirant d'eau de la plate-forme. Cette variation entraîne un mouvement de la plate-forme selon l'axe vertical, la plate-forme tendant à maintenir constant son tirant d'eau. Chaque mer a des conditions géographiques particulières qui donnent à la houle des caractéristiques associées : hauteur moyenne des vagues et fréquence de la houle. La forme et les dimensions d'une plate-forme donnent un temps de réponse particulier lors du passage d'une vague. Afin d'éviter des problèmes de résonance il faut que les périodes propres de la houle et de la plate-forme soient suffisamment différentes. Le document FR-A- 2 681831 décrit une plate-forme pétrolière flottante à pilonnement contrôlable comprenant un pont et un ensemble de flottaison. Afin de contrôler la réponse de la plate-forme au mouvement de la mer dans laquelle elle est installée, l'ensemble de flottaison comprend une chambre marnante ouverte à la mer et reliée à un réservoir à gaz par un conduit de circulation muni d'une restriction. Malgré ses avantages, l'ensemble de flottaison décrit dans le document FR-A-2 681831 présente l'inconvénient d'être de construction complexe, ce qui augmente ses coûts de fabrication. La présente invention a donc pour objet un ensemble de flottaison à pilonnement contrôlé qui est de construction simple et fiable et permet de limiter les mouvements verticaux d'une plate-forme flottante. Pour atteindre cet objectif, la présente invention propose un ensemble de flottaison comprenant un corps dans lequel sont formées une chambre de flottaison et une chambre destinée à être emplie d'eau, caractérisé en ce que la paroi de la chambre est munie d'au moins deux ouvertures dont au moins une ouverture comprend une duse permettant le passage d'eau entre la chambre et l'extérieur, la duse étant calibrée afin de ralentir sensiblement l'écoulement de 1 'eau. Ce type de plate-forme est particulièrement adapté aux mers à longue période de houle, par exemple le Golfe de Guinée. Une plate-forme munie de l'ensemble de flottaison selon 11 invention présente des avantages de coût de fabrication et permet l'assemblage de la plate-forme directement sur site, les colonnes de flottaison étant fabriquées dans la région d'installation et seul le pont étant construit dans un chantier naval éloigné. De plus, une telle plate-forme peut être installée sans avoir recours à du matériel lourd. Le pont est une barge indépendante qui arrive sur site entièrement équipée. Les avantages, ainsi que le fonctionnement de la présente invention, apparaîtront plus clairement à la lecture de la description suivante faite d'une manière non limitative en référence aux dessins annexés sur lesquels - la figure 1 est une vue schématique d'une plate-forme pétrolière en mer munie d'un ensemble de flottaison selon l'invention ; et - la figure 2 est une vue en coupe longitudinale d'une des colonnes utilisées dans la plateforme de la figure 1, et comprenant l'ensemble de flottaison selon l'invention. Sur la figure 1, une plate-forme pétrolière à pilonnement contrôlé est représentée généralement en 10. La plate-forme 10 comprend un pont flottant 12 qui est monté sur les extrémités supérieures de colonnes de flottaison 14. La plate-forme 10 comprend au moins trois colonnes 14, six dans l'exemple illustré. Les six colonnes de flottaison sont sensiblement identiques et seront décrites plus en détail ci-après. Les colonnes peuvent avoir une section rectangulaire, ou, de préférence circulaire. Un mât de forage, représenté schématiquement en 16, est monté sur le pont 12. Le pont 12 est muni de six cages d'appui 18 disposées autour de sa périphérie, chacune destinée à recevoir l'extrémité supérieure d'une colonne de flottaison 14 associée. De préférence, l'extrémité supérieure de chaque colonne 14 prend appui sur la surface inférieure de la cage 18 associée par l'intermédiaire d'un ensemble de blocs en matériau élastomère, disposés en cercle sur la surface inférieure, qui, en formant une articulation, permettent de répartir la charge sur l'extrémité de la colonne 14. D'autres types d'articulation, par exemple une portée sphérique, peuvent aussi être utilisées. Chaque colonne 14, ayant la forme d'un tube définissant un corps aux extrémités fermées, est fabriquée de préférence en acier, en béton ou, éventuellement en fibre de verre. Chaque colonne est disposée verticalement dans l'eau, son extrémité supérieure ayant un tirant d'air "h" par rapport à la surface de l'eau 15. Une chambre de flottaison 20 définie à l'extrémité supérieure de la colonne 14 (en regardant le dessin), est dimensionnée afin que son centre de poussée soit situé au-dessus du centre de masse de la colonne 14 afin de lui donner plus de stabilité. De préférence chaque colonne est lestée vers son extrémité inférieure. Dans la partie inférieure de la colonne 14 est définie une chambre 22 formant piège à eau. Cette chambre s'ouvre à l'extérieur de la colonne par au moins deux ouvertures, une ouverture supérieure 24, disposée adjacent à une cloison 26 délimitant le fond de la chambre de flottaison 20, et par une ouverture inférieure 28 disposée vers l'extrémité inférieure 29 de la colonne 14. A son extrémité inférieure de la colonne est munie d'une chambre 30, destinée à contenir du lest. Au moins une des orifices 24 et 28 est dimensionnée afin de former une duse, destinée à ralentir l'écoulement d'eau entre la chambre 22 et l'extérieur, comme il sera décrit plus en détail ci-après. En effet, lors d'un mouvement vertical de la plateforme 10, chaque colonne 14 se déplace sensiblement verticalement, dans le sens de la flèche 30. Ce mouvement vertical tend à déplacer la masse d'eau retenue dans la chambre 22, vers le haut, ou vers le bas de la colonne, à l'inverse du sens du mouvement de la colonne. Ce mouvement vertical créé en effet un gradient de pression dans l'eau à l'intérieur de la chambre 22. Ce gradient de pression consiste en une faible dépression à une extrémité de la chambre 22 et une faible surpression à l'extrémité opposée, par rapport à la pression de l'eau entourant la colonne. La différence entre les pressions aux extrémités de la chambre 22 et la pression de l'eau à l'extérieur génère une accélération de l'eau dans la chambre qui tend à la chasser de la chambre à une de ses extrémités pour la remplacer par de l'eau qui pénètre dans la chambre à l'extrémité opposée. Le frottement engendré dans la duse 24, 28, lors du passage de l'eau pénétrant dans la chambre 22 ou en sortant, transforme une partie de son énergie cinétique en chaleur. Cette transformation réduit énergie de pilonnement de l'ensemble colonne/eau, ce qui a pour résultat d'atténuer son mouvement vertical. La chaleur générée par le frottement de l'eau à travers les duses est dissipée dans l'eau de la mer. L'étranglement de la duse 24, 28 peut être variable, par exemple, commandé à partir du pont 12 de la plate-forme 10. De manière alternative, la commande des duses peut être reliée à un ensemble de mesure, mini d'acceléromètres, qui est destiné à mesurer la vitesse du déplacement vertical de chaque colonne 14, afin d'optimiser l'atténuation du mouvement vertical, et qui commande séparément les duses de chaque colonne, pour que les colonnes se déplacent ensemble assurant ainsi la stabilité du pont. La partie inférieure de la colonne étant ouverte à l'eau, ceci permet d'alléger sa structure. Seule la partie supérieure formant la chambre 20, qui est destinée à soutenir la charge du pont, doit être de construction renforcée. Les ouvertures 24 28 peuvent comprendre chacune une duse calibrée afin de ralentir d'avantage l'écoulement de l'eau. De manière alternative, l'une des ouvertures 28 peut être formée par le fond 29 ouvert de la colonne, ce qui permet de simplifier la construction de la colonne. Ce type de construction nécessite une longueur plus importante de la colonne 14. Pour compléter la description précédente, on donne, ci-après, à titre non limitatif, un exemple chiffré. Les dimensions de la colonne 14 sont représentées sur la figure 2. La masse de la colonne vide est M2 et la chambre 22 contient une masse M1 d'eau. La colonne 14 est soumise à une houle régulière, qui tend à déplacer la colonne sous l'effet de la pression en C, et tend à déplacer la masse d'eau M1 sous l'effet des pressions en A et B. Les abscisses de la colonne x et des vitesse V1 et V2 sont comptées positivement vers le haut. On prend les hypothèses suivantes x = 1,182 m : la colonne est montée de plus d'un mètre par rapport à sa position d'équilibre. V1 = +0,101 m/s V2= -0,126 m/s Pour simplifier, on suppose que la section de la colonne est de 1 m2. Débit d'eau : 0,101 -(-0,126) = 0,227 tonne/seconde La section des orifices est 1 m2 (n = 15,3) 15,3 15,3 est une valeur estimée qui a été sélectionnée compte tenu des vitesses de déplacement de la colonne et de l'eau, la vitesse de déplacement de l'eau étant de l'ordre de la moitié de la vitesse de déplacement de la colonne. Cette valeur a été estimé afin d'optimiser l'amortissement. La vitesse d'éjection de l'eau par la duse 24 est de 0,227 m/s x 15,3 = 3,47 m/s. Les pressions extérieures sont PA = 10,38 kPa PB = - 4,36 kPa Pc = - 3,85 kPa A l'intérieur de la colonne, on a PA = - 4,35 kPa PB, = - 10,39 kPa En effet, le Ap entre l'intérieur et l'extérieur d'un orifice est 1 PV2 2 p= 1 T/m3 avec F en KN Ap = 1 V2 = 13,472 = 6,02 kPa (KN/m2) 2 2 = = PA + Ap = -10,38 + 6,03 = -4,35 kPa PB, = -4,36 - 6,03 = -10,39 kPa Il convient d'écrire de deux façons différentes les forces de pression agissant sur la colonne (de lm2 de section) Pression A - 4,35 kN Forces de houle (-10,38 kN en A en : B +10,39 kN (+ 0,52 kN en B et C C - 3,85 kN (Amortissement (+12,06 kN} kN enAetC) Archimède -11,56 kN Archimède -11.59 kN Résultante - 9,40 kN -21,45 kN sur la colonne On voit, donc, que les forces d'amortissement sont loin d'être négligeables en amplitude, puisque le dispositif amortisseur réduit l'effort extérieur de -21,45 kN, dans la situation où les orifices 24,28 sont fermés et, donc, où les vitesses de déplacement de la colonne et de l'eau V1 V2 sont égales, à -9,40 kN. Ainsi, l'ensemble de flottaison, selon l'invention, permet de réduire considérablement le pilonnement de la plate-forme. L'énergie dissipée par seconde est en moyenne de 0,92 kW. Le système tend vers le régime permanent et la puissance dissipée devient 1,11 kW. Dans l'exemple présent, si l'on ne tient pas compte d'Archimède, le travail des forces générées par les pressions de houle est de 1,24 kW à l'instant considéré (-9,87 kN x 0,126 m/s). La période d'excitation choisie est T = 18s. Les pressions maximales d'une houle de 7 m crête à creux est 390 = 11,2 kPa, 3160 = 4,7 kPa, 3170 = 4,15 kPa. L'ensemble de flottaison selon l'invention peut former un sous-ensemble, destiné à être rattaché à une structure flottante afin d'amortir le pilonnement de l'ensemble. De plus, l'ensemble de flottaison peut être disposé autrement que verticalement. Par exemple, l'ensemble peut être installé, généralement horizontalement sous la carène d'un navire afin d'en amortir le roulis, le cavalement ou le tangage. De manière alternative, l'ensemble peut être disposé à l'intérieur d'un navire ou d'une structure flottante avec les ouvertures s'ouvrant à l'eau. REVENDICATIONS 1/ Ensemble de flottaison comprenant un corps (14) dans lequel sont formées une chambre de flottaison (20) et une chambre (22) destinée à être emplie d'eau, caractérisé en ce que la paroi de la chambre (22) est munie d'au moins deux ouvertures (24,28) dont au moins une ouverture comprend une duse (24,28) permettant le passage d'eau entre la chambre (22) et l'extérieur, la duse étant dimensionnée afin de ralentir sensiblement l'écoulement de l'eau. 2/ Ensemble de flottaison selon la revendication 1 caractérisé en ce que la duse (24,28) ets disposée au voisinage d'une extrémité de la chambre (22). 3/ Ensemble de flottaison selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'il comprend au moins une colonne de flottaison(14), une des deux ouvertures (24,28) étant formée par un fond ouvert de la colonne de flottaison (14). 4/ Ensemble de flottaison selon l'une des revendications 1 à 3 caractérisé en ce qu'il comprend deux duses (24,28)