Brevet FR2804142A1 — publié le 20010727

La présente invention concerne un dispositif collecteur de polluants chimiques liquides (d'origine pétrolière ou autre) flottant à la surface de la mer, ou lac, ou rivière. Elle s'applique en particulier à la collecte des pétroles bruts ainsi que de leurs dérivés visqueux (résidus asphaltiques, bitumes, goudrons, et autres produits lourds). Comme vérifié récemment avec le problème de l'Érika, il est très difficile, sinon impossible, de pomper un produit hautement visqueux avec des moyens habituels (pompes, de quelque modèle ou puissance qu'elles soient): le polluant, par sa consistance et sa capacité d'adhérence aux parois, rend totalement inefficace l'action de succion des pompes, ce qui se traduit par des bouchages intempestifs des conduites entraînant des rendements de pompage extrêmement bas. La solution du problème se trouve dans le développement d'un système permettant de s'affranchir des deux principaux paramètres en cause, à savoir: -la limite de capacité d'aspiration des pompes (conséquence d'un principe physique incontournable). -la difficulté de mise en mouvement de tout fluide gluant, par suite de sa haute viscosité et de son fort pouvoir d'adhérence aux parois des tubes. Le dispositif présenté permet de résoudre le problème en s'appuyant sur deux volets: -remplacement des pompes habituelles par un mécanisme énergétique à action positive, mettant en oeuvre l'injection d'un fluide sous pression en substitution à l'effet d'aspiration traditionnel (création d'un effet venturi forcé). -diminution des forces d'adhérence du fluide aux parois, par constitution d'un micro-annulaire à faible viscosité, artificiellement créé autour de la veine de liquide visqueux entraînée dans les tubes. Le fluide injecté à cet effet peut, si nécessaire, être chauffé, dans les cas de polluant excessivement visqueux, en vue de provoquer une diminution additionnelle de viscosité du mélange sous l'action de la chaleur (fusion partielle des goudrons). En substance, le système proposé se compose d'un élément collecteur de polluant dont l'énergie active est fournie sous la forme d'un jet hydraulique à haute pression (50 à 200 bars ou plus) formant une couronne intérieure dans la tubulure d'aspiration. Dans les cas où un apport de chaleur est susceptible de diminuer substantiellement la viscosité apparente du mélange polluant, le liquide employé (ici dénommé fluide impulseur) pour la formation de ce jet annulaire, peut être chauffé (de 50 à 80 C ou plus) en amont de la pompe d'injection. Le fluide impulseur est en général de l'eau, mais on peut également utiliser un dérivé pétrolier type fioul domestique ou gazole, dont l'effet de dilution sur le polluant permet de minimiser les frictions sur les parois du tube collecteur. L'ensemble collecteur est mis en oeuvre par un vaisseau spécial de dépollution comportant toute la machinerie nécessaire au système. Suivant le type d'embarcation servant de support au système, plusieurs configurations sont possibles: -Navire dépollueur standard : avec collecteur latéral. -Navire type catamaran ou trimaran : avec collecteur central. -Vaisseau dépollueur sous-marin : collecteur en partie supérieure. -Système dépollueur constitué par un réservoir souple (ballon flottant) au devant duquel sont adaptés un ou plusieurs ensembles collecteurs. Dans les trois premiers cas, la structure assurant le support du collecteur, articulée sur le vaisseau dépollueur, est munie d'un système de positionnement dynamique, compensateur de houle, dont la fonction est de maintenir l'entrée du collecteur au dessous ou au niveau de la nappe polluante. Dans le cas d'utilisation d'un ballon flottant, celui-ci est remorqué par un ou plusieurs navires de service, dont l'un au moins reçoit les accessoires et machinerie nécessaires à la mise en oeuvre du système de collecte. Le ou les ensembles collecteurs utilisés sont fixés sur le devant du ballon flottant, lequel sert de stockage du mélange polluant collecté. Le ballon flottant peut atteindre des capacités élevées (plusieurs milliers de mètres cubes), comme il en existe par exemple dans certains procédés de transport maritime d'eau douce. Dans tous les cas, les embarcations de dépollution peuvent être équipées de plusieurs collecteurs qui peuvent eux-mêmes être de tailles différentes pour une meilleure adaptation au volume de polluant à collecter. Les dessins présentés correspondent à une taille moyenne de collecteur. Le dispositif principal, ou ensemble collecteur, est constitué par -un entonnoir collecteur -un anneau impulseur -un tube collecteur sur lequel peuvent être connectés un ou plusieurs anneaux impulseurs secondaires permettant une plus grande efficacité d'entraînement du polluant. La figure 1 illustre le principe d'action de l'ensemble collecteur dont le fonctionnement se fonde d'une part sur l'effet venturi induit dans l'anneau impulseur constitué par l'élément (1), et d'autre part sur l'interposition d'un micro-annulaire de liquide à faible viscosité entre la magma polluant et la paroi intérieure du tube collecteur (3). L'entonnoir collecteur (2), de section transversale circulaire ou elliptique, assure la capture et le guidage du produit polluant vers les parties aval de l'ensemble collecteur. L'effet venturi induit découle des lois de l'hydrodynamique (équations d'Euler et de Navier-Stokes), conduisant, pour un écoulement en régime permanent de liquide de densité constante dans un tube à section convergente, à la relation de Bernouilli, selon laquelle, en simplifiant, les pressions dans le tubes sont telles que: pl > p2 ( avec pl pression en amont; et p2 pression au niveau de l'étranglement). Le bénéfice énergétique apporté par ailleurs grâce à l'interposition d'un annulaire à faible viscosité (généré par le fluide impulseur), permet de s'affranchir de la contrainte résultant du fait que le polluant est, la plupart du temps, constitué par un fluide non newtonien, apparenté aux fluides dits plastiques binghamiens qui présentent une propriété thixotropique (viscosité variant en fonction inverse, non linéaire, de la contrainte de cisaillement, avec pour corollaire une résistance initiale au déplacement excessivement élevée). Ces fluides ont la propriété de posséder une très grande capacité d'adhérence aux parois et opposent une force accrue pour leur mise en mouvement; d'où les bouchages intempestifs des conduites d'aspiration, que permet d'éviter l'anneau de fluide à faible viscosité généré par l'impulseur. Les dessins et croquis illustrent l'invention et fournissent une description de l'ensemble de l'installation dans ses différentes options. Les figures 1 et 2 se réfèrent au mécanisme d'action de l'ensemble collecteur. La figure 1 correspond au modèle dit collecteur vertical et la figure 2 au modèle collecteur horizontal. Chaque modèle est composé de trois parties: anneau impulseur (1); entonnoir collecteur (2); tube collecteur (3). Dans le cas du modèle dit collecteur horizontal, illustré dans la figure (2), le plan de symétrie de l'entonnoir peut être maintenu en position verticale ou en position inclinée, par rotation de l'ensemble collecteur autour d'un axe horizontal parallèle à l'axe de symétrie de l'anneau impulseur (1). La figure 3 illustre les particularités du tube collecteur (3), dans la configuration dite collecteur horizontal. Pour permettre une efficacité accrue du col de cygne exhausteur (c) formant le tube collecteur, celui-ci peut être constitué de plusieurs parties entre lesquelles s'insère un anneau impulseur supplémentaire. Le nombre total de ces anneaux additionnels peut être modulé (un ou plus), pour une meilleure adéquation à la magnitude du problème à résoudre (polluants plus ou moins visqueux). Le schéma figure 3 représente le cas de trois anneaux impulseurs: anneau principal (1), premier anneau secondaire (la), deuxième anneau secondaire (1b). Ces anneaux sont identiques en forme et dimensions pour simplifier et minimiser les coûts de fabrication. En addition à l'effet d'apport supplémentaire d'énergie que constitue la présence de plusieurs anneaux, leur action permet une utilisation en cycles impulseurs commandés à travers un système manuel ou automatisé et (éventuellement) contrôlé électroniquement: l'injection dans les anneaux additionnels est effectuée à intervalles de durée déterminée et réglable, dans un ordre modulable à volonté. Ainsi, pendant la phase arrêt de l'anneau (lb) où l'injection de fluide impulseur est réduite, dans cet anneau, à zéro, l'anneau (la) reste actif (injection maintenue), et le cycle s'inverse. Ces cycles peuvent être répétés autant de fois que l'exigent les conditions, et par exemple lorsque se développent des tendances au bouchage des conduites. Indépendamment de ces cycles, les anneaux peuvent être simultanément maintenus actifs, en régime permanent, avec pour chacun d'eux la possibilité d'un débit d'injection différencié et variable, ce qui permet une grande souplesse d'utilisation et un ajustement des paramètres au problème spécifique à résoudre. De cette façon, l'installation complète, dans sa forme automatisée (contrôlée électroniquement et pilotée par ordinateur), constitue un système adaptatif, offrant les meilleures conditions possibles de haut rendement et pouvant évoluer vers un "système expert" dans lequel tous les paramètres intervenant dans l'opération sont traités et pris en compte en temps réel. La figure 4 illustre le principe de l'ensemble de l'installation sur une embarcation de dépollution spécialisée. Les accessoires tels que flexibles de collecte de polluant (4), flexibles d'injection haute pression (5), pompe haute pression (6), réservoir de stockage (et éventuellement de chauffage) de fluide impulseur (7), cuves de stockage de polluants (8), et autres (connexions, appareils de contrôle, capteurs, transducteurs, etc.), sont des éléments existant dans le commerce et, lorsque que mentionnés sur le croquis, ne le sont qu'à titre indicatif quant à leur position et/ou leur fonction dans le système global présenté. Les figures 5 et 6 illustrent, schématiquement, les configurations du système dans les cas d'installation sur navire dépollueur type catamaran d'une part, et unité sous-marine d'autre part. Les problèmes de stabilisation par expulsion de lest (cas de sous-marin) et/ou transfert de liquide ballast dans les réservoirs d'équilibrage du vaisseau, sont supposés résolus pour chaque cas, dans le cadre des règles de stabilité inhérentes au type de vaisseau utilisé. L'installation sous-marine est contrôlée à partir d'une embarcation de surface servant de centre de support et commande. Figure 6, l'embarcation de surface et les équipements et accessoires ne sont pas représentés. Dans les figures 4, 5 et 6, ni les proportions, ni l'échelle des divers éléments ne sont respectées, par suite de la disparité très grande entre les dimensions de l'embarcation et celles du système proposé. La figure 7 illustre une forme de réalisation de l'anneau impulseur (option 1), à bague d'ajutage amovible et section d'injection fixe. Le corps possède une ou plusieurs entrées (e) sur sa périphérie, permettant la connexion par vissage des raccords de fixation du ou des flexibles d'injection. Il est connecté, à sa partie supérieure, par filetage (f1) à l'entonnoir collecteur (2). Des joints (j1 et j2) assurent l'étanchéité entre les différentes pièces en contact. Partie intégrante de l'anneau impulseur, la bague d'ajutage 1.1 est vissée à demeure par filetage (f2) sur la partie inférieure de l'entonnoir collecteur. L'anneau impulseur (1) est connecté à sa partie inférieure, par filetage (f3), au tube collecteur aval (3). Un joint (j3) assure l'étanchéité entre ces pièces. La bague (1.1) peut être fabriquée en acier spécial résistant à l'usure, ou recouverte sur sa partie périphérique extérieure d'une collerette en alliage spécial, type carbure de tungstène, à haute résistance à l'usure (fixation par frettage ou autre mode utilisé couramment dans l'industrie mécanique). La figure 8 illustre un autre modèle d'anneau impulseur (option 2), à bague d'ajutage amovible et section d'injection variable. Les éléments constitutifs sont fondamentalement les mêmes que sur le modèle précédent, avec la différence introduite par la possibilité de faire varier entre deux limites préétablies, la largeur (h) du secteur circulaire conditionnant l'épaisseur du jet annulaire impulseur. Dans cette variante le corps de l'anneau impulseur comporte -un filetage carré ou trapézoïdal (f 1), permettant la rotation du corps à frottement doux pendant l'utilisation de l'appareil. Cette rotation, limitée entre 0 et 1125ème de tour (soit de 0 à près de 15 d'angle), se traduit par une translation d'une valeur comprise entre 0 et 1125ème du pas du filetage f1. Par voie de conséquence, l'épaisseur (h) du jet impulseur varie de la même valeur, entraînant une variation concomitante de sa vitesse (donc de son impact). -une patte d'entraînement (r) assure la liaison avec un bras hydraulique (non représenté) qui contrôle la rotation du corps dans les limites fixées. Le mécanisme complet de cet actuateur met en oeuvre des techniques et appareillages hydrauliques utilisés communément et disponibles dans le commerce (non détaillé ici). L'étanchéité avec la partie inférieure (fixe) de l'entonnoir collecteur (2) est assurée par des joints tores (j4) positionnés dans des gorges pratiquées dans le manchon inférieur de l'entonnoir, lequel peut se mouvoir à frottement doux dans le cylindre correspondant de la tête de l'anneau impulseur (1). Pour permettre la rotation du corps comme défini ci-dessus, on interpose entre la partie inférieure de celui-ci et la face amont du tube collecteur (3), par vissage sur le filetage (f3), une rotule de même diamètre intérieur (disponible sur le marché). Cette pièce (1.2) est mentionnée mais non détaillée sur le croquis. Comme pour le modèle précédent, un joint (j3) assure l'étanchéité entre corps de l'anneau et rotule. La figure 9 illustre un troisième modèle d'anneau impulseur (option 3), à jets ponctuels périphériques de section fixe. Dans ce modèle, l'anneau circulaire continu est substitué par plusieurs (2 à 8) conduits individuels cylindriques de faible diamètre (3 à 20 mm, ou plus, suivant les dimensions et capacité de l'anneau impulseur), disposés symétriquement sur la paroi interne du corps de l'anneau (1). La direction de ces conduits forme un angle de quelques degrés avec l'axe principal de l'anneau impulseur. Les conduits peuvent recevoir des duses amovibles en alliage spécial résistant à l'érosion, de divers diamètres intérieurs, choisies suivant les vitesses de jets désirées pour un débit donné. Les autres parties du système demeurent identiques à celles de l'option 1 (filetages, joints d'étanchéité, etc.) et les deux types d'anneau sont interchangeables, s'adaptant sur le même entonnoir (2) et même tube collecteur (3). Une variante du modèle décrit ci-dessus, est constituée par un anneau impulseur dont l'axe directionnel des jets périphériques est, en outre, incliné de quelques degrés par rapport au plan défini par l'axe de symétrie de l'anneau et un point quelconque de l'axe du jet. Cette configuration génère un mouvement hélicoïdal des filets de fluide impulseur, créant un effet de vortex susceptible de renforcer l'entraînement du magma polluant. Les autres détails et dimensions de l'anneau sont identiques à leurs homologues de l'option 3, permettant ainsi l'interchangeabilité. Dans ses différentes formes, le corps de l'anneau impulseur est fabriqué soit en acier, soit dans un autre alliage ou métal à hautes caractéristiques mécaniques, usiné et traité pour assurer le niveau nécessaire de résistance, en particulier la résistance à l'éclatement, en vue de permettre un fonctionnement à haute pression (200 bars ou plus dans le circuit d'injection du fluide impulseur). D'une manière générale, et du point de vue de leur fabrication, les pièces d'usures, amovibles, telles que bague d'ajutage, duses, ou autres, peuvent éventuellement être recouvertes d'alliage spécial à haute résistance à l'érosion. L'entonnoir (2), est composé d'une jupe de forme tronconique, à grande base circulaire ou elliptique, terminée à sa petite base par une partie cylindrique usinée de manière à assurer sa connexion avec la partie amont de l'anneau collecteur (1). Pour sa fabrication, l'entonnoir peut être obtenu par techniques de chaudronnerie et soudage ou en fonderie, suivant les matériaux choisis. Le tube collecteur (3), en alliage à haute résistance mécanique, possède à son extrémité aval une connexion adaptée à celle des flexibles haute pression de même diamètre intérieur existant dans le commerce spécialisé, en particulier dans l'industrie d'équipement pétrolier. La pompe haute pression fournissant l'énergie hydraulique au fluide impulseur est disponible sous différents modèles dans l'industrie et il en va de même des autres accessoires utilisés. Quels que soient les modèles et les configurations décrits, l'utilisation du système peut être envisagée de deux manières a) Utilisation autonome: le système est employé sans adjonction d'aucune pompe d'aspiration dans l'ensemble du circuit de mélange polluant, à quelque niveau que ce soit, jusqu'aux réservoirs de stockage de l'embarcation de dépollution. b) Utilisation mixte: on interpose, à l'extrémité aval du tube collecteur (3), une pompe d'aspiration additionnelle (type pompe centrifuge ou autre) destinée à favoriser et accélérer l'écoulement du magma polluant jusqu'aux réservoirs de stockage de l'embarcation de dépollution. Cette alternative peut, à volonté, être décidée sur place sans aucune modification du système collecteur, en vue d'augmenter le débit de collecte, particulièrement dans les cas de polluant à viscosité initiale limitée ou lorsqu'il est possible de réduire fortement cette viscosité par mise en oeuvre du procédé faisant intervenir un fluide impulseur diluant (fioul ou autre), préalablement chauffé ou non. c) Dans le deux cas a) et b), on peut en outre maintenir un vide partiel dans les réservoirs de réception de polluant pour augmenter le rendement. La liaison entre anneau impulseur et réservoirs doit alors être assurée sans solution de continuité ( c'est-à-dire sans ouverture vers l'atmosphère). REVENDICATIONS 1) Dispositif de collecte, en milieu marin, ou lacustre, ou fluvial, de polluants chimiques liquides (d'origine pétrolière ou autre), dont le mécanisme est constitué par un système collecteur comprenant un anneau impulseur (1), un entonnoir collecteur (2), un tube collecteur (3) et leurs accessoires. Ce mécanisme assure en même temps l'apport d'énergie cinétique nécessaire à la mise en mouvement du mélange polluant et la création d'un film de fluide à faible viscosité, entre la veine du polluant et la surface intérieure des tubes de collecte, grâce à l'organe central du système, l'anneau impulseur. Celui-ci fournit l'impulsion au mélange polluant par jet circulaire d'entraînement, tout en formant un micro-annulaire fluide à l'intérieur de tubes. Cette action combinée se traduit par le transport du magma polluant vers les réservoirs de stockage de l'embarcation de dépollution utilisée. 2) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par la possibilité d'adaptation du système sur une embarcation standard servant de base et support opérationnel. Le navire de dépollution accommode un ou plusieurs collecteurs du type horizontal en position latérale, à bâbord ou à tribord. Le navire abrite tous les accessoires de contrôle et commande, ainsi que les organes opérationnels : flexibles de collecte (4), flexibles d'injection haute pression (5), pompe haute pression (6), réservoirs de stockage de fluide impulseur (7), cuves de stockage de polluants (8). 3) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par la possibilité d'adaptation du système sur une embarcation du type catamaran ou trimaran, servant de support opérationnel. Dans ce cas, le navire de dépollution accommode un ou plusieurs collecteurs (type horizontal) en position centrale (entre les parties bâbord et tribord de la double coque pour un catamaran; entre les parties bâbord ou tribord et la partie centrale de la coque pour le cas d'un trimaran). Le navire abrite tous les accessoires de contrôle et commande, ainsi que les organes opérationnels : flexibles de collecte (4), flexibles d'injection haute pression (5), pompe haute pression (6), réservoirs de stockage de fluide impulseur (7), cuves de stockage de polluants (8). 4) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par la possibilité d'adaptation du système sur une embarcation spéciale sous-marine avec un ou plusieurs collecteurs (de type vertical) disposés au dessus de sa partie supérieure. L'ensemble est alors commandé en surface par une embarcation de dépollution. Outre les systèmes collecteurs, le sous-marin abrite les organes opérationnels tels que: flexibles haute pression (6), réservoirs de stockage de fluide impulseur (7), cuves de stockage de polluants (8). 5) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par la possibilité d'installation du système sur la partie avant d'un ballon flottant, lequel sert de réservoir géant de stockage du polluant. Un ou plusieurs navires dépollueurs remorquent le ballon et l'un d'eux reçoit les accessoires de contrôle et les organes opérationnels du système, tels que flexibles d'injection haute pression (5), pompe haute pression (6), réservoirs de stockage de fluide impulseur (7). 6) Dispositif selon la revendication 1, et pour l'une quelconque des revendications 2, 3, 4 ou 5, caractérisé par la possibilité d'inclure entre l'entonnoir (2) et le tube collecteur (3) plusieurs anneaux impulseurs (1). Cette disposition, spécialement adaptées aux cas de très haute viscosité du polluant, permettant en outre un fonctionnement du système par cycles alternatifs, contrôlés manuellement ou automatiquement. 7) Dispositif selon la revendication 1 ou la revendication 6 (et applicable à l'un quelconque des cas définis dans les revendications 2, 3; 4 où- 5), caractérisé par un ensemble collecteur comportant un anneau impulseur à jet annulaire de section circulaire fixe. La forme du jet d'entraînement est assurée par l'espace tronconique délimité dans le corps (1) et la bague intérieure (1.1) connectée à la partie inférieure de l'entonnoir collecteur (2), lui-même assemblé au corps (1 ). 8) Dispositif selon la revendication 1 ou la revendication 6 (et applicable à l'un quelconque des cas définis dans les revendications 2, 3, 4 ou 5), caractérisé par un ensemble collecteur comportant un anneau impulseur à jet annulaire de section réglable. La forme du jet d'entraînement est assurée par l'espace tronconique délimité dans le corps (1) et la bague intérieure (1.1) connectée à la partie inférieure de l'entonnoir collecteur (2). Celui-ci est lié au corps (1) de façon à permettre, par légère rotation du corps autour de son axe, un mouvement finalement transformé en translation, qui modifie l'épaisseur (h) de l'espace annulaire générateur du jet. La rotation du corps est commandée par l'intermédiaire d'un vérin hydraulique asservi ou non à un système de contrôle automatique. 9) Dispositif selon la revendication 1 ou la revendication 6 (et applicable à l'un quelconque des cas définis dans les revendications 2, 3, 4 ou 5), caractérisé par un ensemble collecteur comportant un anneau impulseur à jets individuels périphériques. Dans l'intérieur du corps sont répartis plusieurs conduits cylindriques de faible diamètre (3 à 20 mm ou plus, suivant la capacité du modèle). Chaque conduit reçoit le fluide d'impulsion sous pression, formant un jet périphérique dont la direction est très faiblement inclinée (quelques degrés) par rapport à l'axe de symétrie du corps. 10) Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé par l'adjonction d'un système électronique d'automatisation et de contrôle du système et d'un pilotage informatique des paramètres opérationnels, avec adaptation et optimisation en temps réel de ces paramètres.