Brevet FR2804141A1 — 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. Elle s'applique en particulier à la collecte des pétroles bruts très lourds, ainsi que leurs dérivés visqueux (résidus asphaltiques, bitumes, goudrons, produits lourds de raffinage). 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 dans le micro-annulaire une diminution additionnelle de viscosité 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) 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 du gazole dont l'effet de dilution sur le polluant au niveau de la couche de contact, 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. La structure assurant le support du collecteur, articulée sur le navire dépollueur, est munie d'un système de positionnement dynamique, compensateur de houle, dont la fonction est de maintenir l'entrée du collecteur au dessous de la nappe polluante. Trois configurations sont possibles pour la position de cette structure - Navire dépollueur standard : avec collecteur latéral. - Navire dépollueur type catamaran : avec collecteur central. - Vaisseau dépollueur sous-marin : collecteur en partie supérieure. Suivant les cas à traiter, l'embarcation-base peut être équipée de plusieurs bras collecteurs. par ailleurs ces éléments peuvent être de tailles différentes pour une meilleure adaptation à l'importance de la nappe à résorber Le dispositif principal de collecte, ou ensemble collecteur, est essentiellement 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 (pl: pression en aval; 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 dit plastiques binghamiens qui présentent une propriété thixotropique (viscosité variant en fonction inverse par rapport à la contrainte de cisaillement, et 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. DESCRIPTION Les dessins et croquis illustrent l'invention 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). La figure 3 illustre les particularités du tube collecteur (3), dans la configuration de collecteur horizontal. Pour permettre une efficacité accrue du col de cygne exhausteur 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 peut être modulé (un, deux ou trois anneaux), 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: l'anneau principal (1), le premier anneau secondaire (la), et le 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 le cycle d'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 les conditions de fonctionnement l'exigent (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, appareils de contrôle, etc.), sont des éléments existant dans le commerce et, lorsqu'ils sont mentionnés sur les croquis, ne le sont qu'à titre indicatif quant à leur position et leur fonction dans le système global représenté. Les figures 5 et 6 illustrent, très schématiquement, le principe de configuration du système dans les cas d'installation sur navire dépollueur du type catamaran d'une part, et embarcation 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 spécifique dans le cadre des règles de stabilité inhérentes au type de vaisseau utilisé. Dans les schémas 4, 5 et 6, ni les proportions, ni l'échelle des divers éléments n'est respectée, 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. Cette bague 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). 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 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 (f1), permettant la rotation du corps à frottement doux pendant l'utilisation de l'appareil. Cette rotation, limitée entre 0 et 1/25 ème de tour (soit de 0 à près de 15 d'angle), se traduit par une translation d'une valeur comprise entre 0 et 1I25 ème du pas du filetage f 1. 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 annulaire continu est substitué par 6 ou 8 jets disposés symétriquement sur la paroi circulaire intérieure du corps de l'anneau (1). Les conduits formant les jets d'injection portent des duses amovibles à orifice calibré, dont le diamètre intérieur peut être adapté aux vitesses de jets désirées. 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 à jets périphériques dont l'axe directionnel n'est pas parallèle à l'axe principal du corps de l'anneau impulseur. 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 les dimensions de l'anneau décrit dans cette variante sont identiques à ceux, correspondants, de l'option 3, ce qui permet une interchangeabilité. Dans ses différentes formes, le corps de l'anneau impulseur (1) est fabriqué en utilisant de l'acier à hautes caractéristiques mécaniques, usiné et traité pour assurer le niveau nécessaire de résistance, en particulier la résistance à l'éclatement due à la haute pression d'injection du fluide impulseur. Les pièces d'usures, telles que bague d'ajutage, duses, ou autres, peuvent en outre être recouvertes d'alliage spécial à haute résistance à l'érosion et sont amovibles (fixées à demeure par vissage), afin de faciliter leur remplacement . L'entonnoir (2), est composé d'une jupe de forme conique à base circulaire ou elliptique, obtenue à partir d'une tôle d'épaisseur adéquate façonnée par chaudronnerie traditionnelle. Sa partie inférieure, servant de liaison à l'anneau impulseur, est fixée à la jupe par soudage. Le tube collecteur (3), également en acier 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 et éléments constituant l'ensemble de l'installation. REVENDICATIONS 1) Dispositif de collecte, en milieu marin, de polluants chimiques liquides (d'origine pétrolière ou autre), dont le mécanisme central est constitué par un collecteur composé d'un anneau impulseur hydraulique à haute pression pour la mise en mouvement du mélange polluant. En addition à l'énergie d'entraînement fournie par cet anneau, la géométrie de sa partie interne est telle qu'il assure la formation d'un film de fluide à basse viscosité entre la veine de polluant et la surface intérieure des tubes de collecte. 2) Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que les principes physiques gouvernant les mécanismes mis en oeuvre dans le système (tels que résumés ci-dessus et explicités dans la partie descriptive), font l'objet d'une application simultanée et permettent, de par ce fait, d'éliminer l'utilisation de pompes d'aspiration habituelles, lesquelles sont incapables de répondre au problème posé dans la succion d'un liquide pâteux. En option opérationnelle, dans les cas de collecte de polluant extrêmement visqueux, le liquide utilisé (eau ou gazole) pour la formation du jet impulseur peut par ailleurs être chauffé, réduisant ainsi substantiellement la viscosité apparente de la veine de fluide en mouvement dans les tuyauteries de collecte. 3) Dispositif selon les revendications 1 et 2 caractérisé par l'existence de quatre modèles proposés pour la réalisation de l'anneau impulseur (respectivement options 1, 2, 3 et 4), utilisables au choix et en fonction du problème spécifique de pollution à traiter. 4) Dispositif selon les revendications 1, 2 et 3 caractérisé par l'adjonction d'un contrôle électronique d'automatisation du système et d'un pilotage informatique des paramètres opérationnels, selon les mécanismes explicités dans la description, page 3, lignes 21 à 42. 5) Dispositif selon les revendications 1, 2, 3 et 4 caractérisé par la possibilité d'adaptation du système à trois configurations opérationnelles principales, suivant le type d'embarcation dépolluante mis en oeuvre: - Navire de dépollution standard à collecteur latéral. - Navire catamaran à collecteur central. - Vaisseau sous-marin à collecteur disposé en partie supérieure.