Brevet FR2791316A1 — publié le 20000929

Domaine de l'invention L'invention se rapporte aux dispositifs permettant de relier et verrouiller une structure tubulaire sur une ancre immergée. Le domaine d'application de l'invention est plus particulièrement celui de l'ancrage de installations flottantes de forage ou d'exploitation pétrolière en milieu aquatique. Arrière-plan de l'invention Dans le domaine précité, il est courant de faire appel à des installations de surface qui sont fixées sur le fond au moyen d'une pluralité de structures tubulaires (ou "jambes", ou "risers") dont les extrémités inférieures sont verrouillées sur des ancres fixées au fond. Il est connu d'utiliser à cet effet des dispositifs de liaison comprenant des éléments de connexion reliés respectivement à une extrémité de la structure tubulaire et à l'ancre pour réaliser un verrouillage de la structure tubulaire sur l'ancre par simple mouvement de translation de la structure tubulaire parallèlement à son axe. De tels dispositifs de liaison sont décrits notamment dans les brevets US 4 907 914 et US 4 943 188. Les éléments de connexion comprennent des parties présentant des reliefs formant des guides et coopérant mutuellement pour réaliser un verrouillage par rotation relative induite par le mouvement de translation de la structure tubulaire. Après réalisation du verrouillage et pendant toute la durée de service de la plate-forme, il est nécessaire de ménager une possibilité de pivotement des structures tubulaires par rapport aux ancres. Cela permet de s'accommoder d'efforts s'exerçant sur l'installation flottante, par exemple dus à des courants ou des vents violents, qui tendent à la déplacer horizontalement par rapport au fond. A cet effet, l'un et/ou l'autre des éléments de connexion peut être monté sur des moyens d'articulation autorisant un pivotement de la structure tubulaire autour d'un point situé sur son axe. Les moyens d'articulation peuvent prendre la forme d'une rotule ou d'une butée sphérique interposée entre un des éléments de connexion et une extrémité de la structure tubulaire ou entre l'autre élément de connexion et l'ancre. Les moyens d'articulation peuvent être constitués par une butée sphérique lamifiée formée de couches alternées de métal et d'élastomère adhérisées les unes aux autres, comme décrit aussi dans les brevets US 4 943 188 et US 4 907 914. Avec ces dispositifs connus, des difficultés peuvent être rencontrées lorsque les éléments de connexion ne sont pas correctement alignés lors de l'accostage entre la structure tubulaire et l'ancre. En effet, en cas de désalignement, la composante radiale (ou horizontale) exercée lors de l'accostage peut être insuffisante ou inappropriée pour faire pivoter l'élément de connexion monté sur les moyens d'articulation, afin de l'aligner avec l'autre élément de connexion. Obiet et résumé de l'invention L'invention a principalement pour objet de résoudre le problème précité en proposant un dispositif de liaison grâce auquel la connexion entre une structure tubulaire et une ancre peut être réalisée sans difficultés même en cas de désalignement entre les éléments de connexion rapprochés l'un de l'autre. Ce but est atteint grâce à un dispositif de liaison du type comprenant: un premier et un deuxième élément de connexion reliés respectivement à une extrémité de la structure tubulaire et à l'ancre pour réaliser un verrouillage de la structure tubulaire sur l'ancre par un mouvement de translation de la structure tubulaire sensiblement parallèle à son axe, et - des moyens d'articulation reliés à au moins l'un des éléments de connexion pour permettre un pivotement de la structure tubulaire par rapport à l'ancre autour d'un point situé sensiblement sur l'axe de la structure tubulaire, lorsque la structure tubulaire est reliée à l'ancre, dispositif dans lequel: - des câbles sont reliés respectivement à la structure tubulaire et à l'ancre pour permettre d'exercer une traction sur la structure tubulaire en vue de sa liaison avec l'ancre, et - lesdits câbles coopèrent avec des moyens de guidage solidaires d'un élément de connexion relié aux moyens d'articulation, de sorte que les câbles à l'état tendu, lorsqu'ils sont sollicités en traction, agissent sur cet élément de connexion pour, le cas échéant, le faire pivoter en vue de l'aligner avec l'autre élément de connexion. Ainsi, la traction sur les câbles a non seulement pour fonction de rapprocher et d'engager mutuellement les éléments de connexion, mais aussi de réaliser leur auto-alignement. Brève description des dessins L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description faite ci-après de façon détaillée, en référence aux dessins annexés, sur lesquels: - la figure 1 est une vue très schématique en perspective d'un mode de réalisation d'un dispositif de liaison conforme à l'invention; la figure 2 est une vue très schématique en élévation et en coupe médiane du dispositif de liaison de la figure 1; - la figure 3 est une vue très schématique en élévation du dispositif de liaison des figures 1 et 2, lorsque de l'accostage des éléments de connexion; et - la figure 4 est une vue très schématique en élévation et en coupe médiane d'un autre mode de réalisation d'un dispositif conforme à I'invention. Description de modes préférés de réalisation de l'invention Les figures 1 et 2 illustrent un mode de réalisation d'un dispositif de liaison conforme à l'invention destiné à relier une structure tubulaire immergée (ou "riser") 10 à une ancre 12 fixée sur un fond immergé 14. Sur ces figures, la structure tubulaire 10 et l'ancre 12 sont montrées à l'état déconnecté ou non encore connecté. L'extrémité supérieure (non représentée) de la structure tubulaire 10 est reliée à une installation flottante, par exemple plate-forme ou bouée, qui maintient la structure tubulaire en tension lorsqu'elle a été ancrée. A l'extrémité inférieure de la structure tubulaire 10 est fixé un élément de connexion mâle 20. Celui-ci comprend une couronne 22 munie à sa périphérie de parties en saillie, ou tenons 24. La couronne 22 est libre en rotation autour de l'axe 16 de la structure tubulaire. La couronne 22 s'appuie sur une pièce 26 qui est fixée à l'extrémité de la structure tubulaire 20, par exemple par soudage. L'ancre 12 supporte un élément de connexion femelle 30 par l'intermédiaire d'une butée d'articulation sphérique 40 logée à l'intérieur d'un boîtier 42 fixé à l'ancre 12. L'élément de connexion femelle 30 comprend une partie cylindrique 32 à section annulaire constituant un réceptacle pour l'élément de connexion male. A son extrémité supérieure, la partie cylindrique 32 s'évase pour former un cône inversé 34 de guidage ou d'accostage. A sa partie inférieure, la partie cylindrique 32 se raccorde à une pièce 36 par une partie tubulaire 34, de diamètre éventuellement décroissant, à travers une ouverture 42a du boîtier 42. La pièce 36 présente une partie ayant une forme de calotte sphérique fixée, par exemple soudée, sur une embase 18 solidaire de l'ancre 12. Sur sa paroi inférieure, la partie cylindrique 32 présente plusieurs séries de parties en saillie, ou tenons, 38a, 38b, 38c répartis autour de son axe, ayant des fonctions de guidage et de butée. La pièce 36 en forme de calotte sphérique constitue l'une des armatures de la butée d'articulation 40, I'autre armature étant constituée par une bague 44. La bague 44 s'appuie par sa surface extérieure contre la paroi interne du boîtier 42. La butée 40 est une butée lamifiée formée de couches en matériau rigide, par exemple en métal, alternant avec des couches d'élastomère, les couches étant adhérisées les unes aux autres. Les faces des couches de la butée lamifiée ainsi que les faces en regard de la bague 44 et de la pièce 36 entre lesquelles elles sont logées ont des surfaces sphériques concentriques centrées en un point 0 sur l'axe de la partie cylindrique 32 (qui est confondu avec l'axe de la structure tubulaire lorsque celle-ci est reliée à l'ancre). Des câbles 50, 52 ont des extrémités 50a, 52a accrochées sur des bras 54, 56 fixés à la structure tubulaire 10. Les bras 54, 56 s'étendent radialement à partir de deux emplacements diamétralement opposés de la structure tubulaire 10, au voisinage de son extrémité intérieure. Les câbles 50, 52 passent sur des poulies de renvoi 60, 62 fixées sur l'ancre 12. Sur leur trajet entre les bras 54, 56 et les poulies 60, 62, les câbles 50, 52 passent dans des guides 64, 66 solidaires de l'élément de connexion 30. Dans l'exemple illustré, chaque guide 64, 66 a une forme de fourche orientée radialement à la partie de la surface externe du cône d'accostage 34, les fourches 64, 66 se raccordant à celui-ci en des emplacements diamétralement opposés. Chaque fourche 64, 66 s'évase à son extrémité pour faciliter l'introduction latérale du câble. Lorsqu'une traction est exercée sur les câbles 50, 52 à leur extrémité (non représentée) opposée à celle reliée à la structure tubulaire , celle-ci est rapprochée de l'ancre 12. Cette traction peut être produite au moyen d'un treuil installé sur un navire. Lorsque l'élément de connexion mâle 20 pénètre axialement dans l'élément de connexion femelle 30, les tenons 24 coopèrent avec les tenons de guidage 38a et 38c pour amener les tenons 24 en relation verticale avec les tenons de butée 38b, par rotation de la couronne 22. Cette rotation est produite par la venue en contact mutuel des tenons 24 avec les tenons 38a, 38c, sous l'effet du mouvement axial imposé par les câbles 50, 52. La traction sur les câbles étant alors relâchée, la flottabilité de la plate-forme et de la structure tubulaire 10 provoque la remontée de l'élément de connexion mâle et son verrouillage avec l'élément femelle par coopération des tenons 24 avec les tenons de butée 38b. Une traction ultérieure sur la structure tubulaire permet de déverrouiller les éléments de connexion, leur dégagement mutuel se produisant par remontée de la structure tubulaire 10. Le dégagement de l'élément de connexion mâle est guidé par coopération entre les tenons des éléments mâle et femelle, avec rotation de la couronne 22. Des moyens de connexion et de déconnexion permettant un verrouillage et un déverrouillage par déplacement relatif axial sont connus en eux-mêmes des brevets US 4 907 914 et US 4 943 188 déjà cités. Si, lors du verrouillage, comme le montre la figure 3, les éléments de connexion 20, 30 ne sont pas correctement alignés, I'effort de traction exercé sur les câbles 50, 52, maintenant ceux-ci en tension, développe une composante radiale ou horizontale sur les guides 64, 66. Il en résulte une inclinaison de l'élément de connexion femelle, par pivotement autour du point 0, pour le réaligner avec l'élément de connexion mâle. Afin de faciliter le pivotement, à l'encontre de la raideur de la butée lamifiée 40, il est préférable que les guides 64, 66 soient situés, comme dans l'exemple illustré, à proximité de l'extrémité supérieure de l'élément de connexion 30 la plus éloignée du point 0. La ligne 3 illustre un autre mode de réalisation de l'invention qui se distingue de celui des figures 1 et 2 en ce que les moyens d'articulation permettant un pivotement de la structure tubulaire sont disposés non pas entre l'ancre et l'élément de connexion femelle, mais entre la structure tubulaire et l'élément de connexion mâle. Sur la figure 3, une structure tubulaire 110 immergée est munie à une extrémité d'un élément de connexion mâle 120 destiné à être verrouillé sur un élément de connexion femelle 130 porté par une ancre 112 fixée sur un fond immergé 114. A son autre extrémité (non représentée), la structure tubulaire 110 est reliée à une installation flottante. L'élément de connexion mâle 120 comprend une couronne annulaire 122 munie à sa périphérie de tenons 124. La couronne 122 est reliée à l'extrémité inférieure de la structure tubulaire 110 par l'intermédiaire d'une butée d'articulation sphérique 140. La butée 140 est une butée lamifiée comprenant des couches rigides, par exemple métalliques, alternant avec des couches d'élastomère, les couches étant adhérisées les unes aux autres. Elle est logée entre une armature 118 en forme de calotte sphérique solidaire de la structure tubulaire 110 et une armature 144 constituée par une bague qui est reliée à la couronne 122. Les surfaces sphériques des faces des couches de la butée 140 et des faces de la calotte 118 et de la bague 144 entre lesquelles la butée 140 est disposée ont un centre commun 0' situé sur l'axe 116 de la structure tubulaire 110. L'élément de connexion femelle 130 comprend une bague cylindrique 132 qui est libre en rotation autour de son axe vertical à l'intérieur d'une virole 134. La virole 134 se raccorde, par une partie tubulaire de diamètre décroissant, à une embase 136 solidaire de l'ancre 112. Sur sa face interne, la bague 132 présente plusieurs séries de tenons 138a, 138b et 138c ayant des fonctions de guidage et de butée. Des câbles 150, 152 ont des extrémités 150a, 152a accrochées sur des bras 154, 156 fixés en des emplacements diamétralement opposés de la structure tubulaire 110, et passent sur des poulies de renvoi 160, 162 fixées sur l'ancre 112, comme dans le mode de réalisation précédent. Sur leur trajet entre les bras 154, 156 et les poulies 60, 62, les câbles 150, 152 passent dans des guides 164, 166 solidaires de l'élément de connexion 12a. Dans l'exemple illustré, chaque guide 164, 166 est constitué par un anneau traversé par un câble 150, 152 et porté par une potence 170,172 fixée à la partie supérieure de la couronne 122. Le fonctionnement du dispositif de liaison de la figure 3 est similaire à celui des figures 1 et 2. Les tenons 124 de l'élément de connexion 120 coopèrent avec ceux 138a, 138b, 138c de l'élément de connexion 130 pour permettre le verrouillage et le déverrouillage entre les éléments de connexion par mouvement de translation axiale et avec rotation de la bague 132. En cas de désalignement lors de la réalisation de la liaison entre la structure tubulaire 110 et l'ancre 112, la tension exercée sur les câbles 150, 152 induit une composante sur les guides 160, 162 qui provoque le pivotement de l'élément de connexion mâle 120 autour du point 0', réalignant l'élément 120 avec l'élément de connexion femelle vertical 130. Il apparaîtra à l'homme de l'art que des variantes pourront être apportées aux modes de réalisation ci-dessus décrits sans sortir du cadre de l'invention. Ainsi, dans le premier mode de réalisation des figures 1 et 2, on pourra avoir un élément de connexion mâle avec une couronne fixe et un élément de connexion femelle avec une bague mobile en rotation, comme dans le cas de la figure 3. Inversement, dans le deuxième mode de réalisation de la figure 3, on pourra avoir un élément de connexion mâle avec une couronne mobile en rotation et un élément de connexion femelle avec une partie cylindrique fixe, comme dans le mode de réalisation des figures 1 et 2. En outre, des moyens de verrouillage autres que ceux décrits, permettant de verrouiller un élément de connexion mâle sur un élément de connexion femelle par mouvement de translation relatif pourront être utilisés. On pourra aussi associer l'élément de connexion femelle à la structure tubulaire et l'élément de connexion mâle à l'ancre. On notera encore que des moyens d'articulation autres que des butées lamifiées sphériques pourront être utilisés, par exemple des rotules classiques ou systèmes à cardans. Enfin, des dispositifs de guidage des câbles, autres qu'en forme de fourches ou d'anneaux pourront être prévus, dès lors qu'ils permettent d'assurer le transfert d'un effort résultant de la tension du câble en cas de désalignement, les dispositifs de guidage étant ou non munis de moyens de verrouillage ou blocage du câble à leur niveau. REVENDICATIONS 1. Dispositif de liaison d'une structure tubulaire (10; 110) sur une ancre (12; 112) destinée à être fixée sur un fond immergé, comprenant: - un premier et un deuxième élément de connexion (20, 30; , 130) reliés respectivement à une extrémité de la structure tubulaire et à l'ancre pour réaliser un verrouillage de la structure tubulaire sur l'ancre par un mouvement de translation de la structure tubulaire sensiblement parallèle à son axe, et - des moyens d'articulation (40; 140) reliés à au moins l'un des éléments de connexion (20, 30; 120, 130) pour permettre un pivotement de la structure tubulaire par rapport à l'ancre autour d'un point (0; 0') situé sensiblement sur l'axe de la structure tubulaire, lorsque la structure tubulaire est reliée à l'ancre, caractérisé en ce que: - des câbles (50, 52; 150, 152) sont reliés respectivement à la structure tubulaire (10; 110) et à l'ancre (12; 112) pour permettre d'exercer une traction sur la structure tubulaire en vue de sa liaison avec I'ancre, et - lesdits câbles coopèrent avec des moyens de guidage (64, 66; 164, 166) solidaires d'un élément de connexion relié aux moyens d'articulation (40; 140) de sorte que les câbles à l'état tendu, lorsqu'ils sont sollicités en traction, agissent sur cet élément de connexion pour, le cas échéant, le faire pivoter en vue de l'aligner avec l'autre élément de connexion. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les câbles (50, 52; 150, 152) passent dans lesdits moyens de guidage (64, 66; 164, 166) entre des points d'accrochage (54, 56; 154, 156) solidaires de la structure tubulaire (10; 110) et des points de renvoi (60, 62; 160, 162) solidaires de l'ancre (12; 112). 3. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que les moyens d'articulation (40) relient l'un (30) des éléments de connexion à l'ancre (12). 4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que les moyens d'articulation (140) relient l'un (120) des éléments de connexion à la structure tubulaire (110). 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les moyens d'articulation comprennent une butée lamifiée sphérique.