Brevet FR2832453A1 — publié le 20030523

La présente invention concerne le domaine des colonnes montantes, ou " risers ", soumises à des vibrations induites par les courants présents dans la tranche d'eau traversées par lesdits risers. L'application principale se situe dans l'exploitation offshore des gisements pétroliers. Lorsqu'un fluide s'écoule autour d'une structure, il peut apparaître des tourtillons, ou vortex, dont la fréquence, et même l'apparition, sont gouvernces par les caractéristiques du fluide (vitesse, viscosité, masse volumique) et celles de la structure (diamètre). Ces tourbillons excitent la structure qui se met à vibrer et donc peut périr par fatigue. L'écoulement du fluide qui arrive sur un cylindre, crée des tourbillons (vortex) dans le fluide situé derrière le cylindre, compte tenu du sens de l'écoulement. Ces tourbillons vont pousser le cylindre de façon transverse et faire bouger périodiquement la structure. I1 y a alors un phénomène " d'accrochage ": le mode propre de la structure dont la fréquence est proche de la fréquence de " relâcher de tourbillon " va influer sur cette fréquence de " relâcher ", et celle-ci va tendre à devenir égale à la fréquence du mode propre. Le cylindre est alors excité à une de ses fréquences propres. La réponse du cylindre en vibration va donc être dominée par la forme du mode propre. Ce type de phénomène, dénommé VIV (Vortex Induced Vibration) est observé notamment dans les structures en mer comportant des risers de production des effluents pétroliers, ou de forage. Dans le cas d'un riser, ce phénomène doit étre pris en compte pour le calcul de la durée de vie, car il peut induire un dommage significatif sur la structure, notamment en mer profonde, et en particulier pour des risers de type caténaire (SCR). Ainsi, la présente invention concerne un système pour limiter les vibrations induites par vortex sur une colonne montante suspendue par une extrémité à un support et soumise à des écoulements fluides sensiblement transverses. Le système comprend des moyens de suspension de la colonne audit support qui comportent des moyens de déplacement de ladite extrémité selon une direction transverse, par rapport à l'axe principal de ladite colonne. Les moyens de déplacement peuvent étre adaptés à permettre le déplacement de ladite extrémité selon toutes les directions. Les moyens de déplacement transverse peuvent comprendre des éléments passifs du type ressort ayant une raideur déterminée. Les moyens de déplacement transverse peuvent comprendre des éléments passifs ayant une caractéristique d'amortissement déterminée. Les éléments passifs peuvent comprendre des éléments à matériaux magnéto-rhéologiques. Les moyens de déplacement transverse peuvent également comprendre des éléments actifs pour imposer un déplacement transverse à ladite extrémité. Les éléments actifs peuvent comporter des moyens de contrôle et/ou de réglage des déplacements en fonction des vibrations induites. L 'invention concerne également une méthode pour limiter le s vibrations induites par vortex sur une colonne montante suspendue par une extrémité à un support et soumise à des écoulements fluides sensiblement transverses. Selon la méthode, on suspend ladite colonne audit support par des moyens autorisant le déplacement de ladite extrémité selon une direction transverse, par rapport à l'axe principal de ladite colonne. On peut déterminer la raideur et/ou l'amortissement desdits moyens autorisant le déplacement en fonction des vibrations induites. On peut déplacer ladite extrémité à l'aide de moyens actifs en fonction des vibrations induites. On peut déplacer ladite extrémité à une vitesse déterminée en fonction des vibrations induites. La présente invention sera mieux comprise et ses avantages appara1tront plus clairement à la lecture d'un exemple, nullement limitatif, d'une réalisation illustrée par les fgures ci-après annexées, parmi lesquelles: la figure 1 illustre un principe selon l'invention, la figure 2 montre l'intérét d'une réalisation selon l'invention, la figure 3 montre l'intérêt d'une variante selon l'invention, la figure 4 représente schématiquement un mode de réalisation selon l'invention. Afin de pallier ce problème de vibrations induites par vortex, et donc d'augmenter la durée de vie de la structure, on peut envisager deux approches: - la modification des modes; - la disparition du phénomène d'accrochage. La première solution joue sur le fait que la fatigue est dépendante de la fréquence des modes et de leur forme (puisque la réponse de la structure est dominée par ses modes). Si on modifie la base modale, on change le mode excité, et donc on peut diminuer la fatigue, soit en diminnant la fréquence du 1S mode accroché, soit en déplaçant le long de la structure les maxima de fatigue qui correspondent aux maxima des modes. La deuxième solution joue sur le fait que l'accrochage est un phénomène qui suppose que le courant est constant dans le temps pour se maintenir. Si on perturbe suffisamment le courant, on va modifier la fréquence de " relacher de tourbillon " et donc on ne va plus exciter le mode accroché. A) Exemple d'application du premier type de réduction de la fatigue: Cet exemple concerne un riser placé dans un courant qui varie avec la profondeur d'eau, mais est indépendant du temps. Les caractéristiques du riser sont: Longueur: 300 m Diamètre extérieur: 0,25 m Diamètre intérieur: 0,235 m Poids linéique: 157,8 kg/m Tension en tête: 1469 kN Et celles du courant: | Profondeur (m) 1 | 60 | 260 13 | Vitesse (m/s) | 0,6 | 0,8 | 0,2 | 0,1 Le riser est maintenu en tension par son extrémité supérieure. La construction classique est un riser suspendu en tête par des moyens permettant un mouvement de type rotule. L'objectif est ici de pouvoir modifier les modes. Selon l'invention illustrée par la figure 1, un système de moyens de contrôle des déplacement 1 de type ressorts est installé sur la partie supérieure 2 la plus accessible du riser. La modification consiste à permettre un mouvement sensiblement horizontal de la partie accrochée par l'intermédiaire de moyens ayant une certaine raideur, les ressorts étant placés transversalement au courant. Les modes de vibration sont alors fonction de la raideur des moyens de contrôle des déplacements, par exemple du type ressort. Un calcul de fatigue montre que l'on peut augmenter la durée de vie, dans ce cas précis en excitant un mode de fréquence plus basse. La figure 2 illustre ce phénomène, et montre les résultats de calcul obtenus à l'aide du logiciel DeepVIV (logiciel commercialisé par la société Principia (France)). On représente en ordonnée l'inverse (1/a) de la durée de vie (en annce) du matériau constitutif d'une section située à une distance L (en mètre) du sommet du riser. Pour ce faire, on calcule l'amplitude des contraintes auxquelles est soumis le riser, et les fréquences auxquelles se produisent les vibrations. En reportant dans une courbe de tenue en fatigue du matériau constitutif du riser, l'amplitude des variations de contraintes indiquant le nombre de cycles admissibles, on débuit la "durée de vie" le long du riser connaissant la fréquence d'apparition de ces cycles de contraintes et le nombre de cycles admissibles. Ainsi, sur la figure 2, plus la courbe est élevée en ordonnée, plus la durée de vie est courte en ce point du riser. Bien entendu, c'est donc la valeur minimale de la durée de vie (i.e. la valeur maximale de la courbe) qui dimensionne le riser. Pour une raideur forte (courbe 3- raideur = 106 N/m), le riser ne bouge pas en tête, ce qui est donc un équivalent du riser accroché. Puis on diminue la raideur (courbes 4 et 5), ce qui libère progressivement les mouvements horizontaux de la tête du riser. Les modes sont alors modifiés et on obtient des cas de durée de vie plus favorables. On passe donc d'une durce de vie inférieure à 10 ans pour un riser bloqué en tête, à environ 100 ans pour des raideurs de l'ordre de 104 N/m (courbe 4). On note que dans ce cas, le ressort jouant un rôle fondamental est celui situé perpendiculairement au plan du riser et du courant, c ' est- à-dire dan s le plan des vibrations. De plus, il est clair que les valeurs de la raideur optimale calculée sont compatibles avec des modes de réalisation industrielle. B) Exemple d'application pour l'approche de la disparition du phénomène d'accrochage: Dans ce cas, on introduit un courant relatif vitesse/structure qui dépend du temps pour casser les tourbillons. Selon l'invention, un moyen simple est d'introduire un mouvement en tête, dans le plan du riser et du courant. Par exemple, sur le riser défini précédemment, on impose un courant constant sur toute la profondeur à 0,5 m/s et un mouvement sinusoïdal en tête du riser. Le sommet du riser a donc une vitesse de type Aosin(tot), o A est l'amplitude du mouvement et o sa fréquence circulaire. La figure 3 (obtenue avec le logiciel DeopFlow décrit notamment dans la publication "Numérical Simulation of Vortex Induced Vibrations of Slender Flexible Offshore Structures" - S. Etienne, F. Biolley, F. Fontaine, C. Le Cunff, J.M. Heurtier, Proceeding ISOPE 2001.) montre en ordonnce l'amplitude A (en mètre) des vibrations d'une section située à une distance L (en mètre) du sommet du riser. On fait varier la fréquence du mouvement et on compare sur la figure 3, les amplitudes de vibration obtenues pour trois valeurs différentes de Ao: courbe 6: Ato = 0 (m/s) courbe 7: Ao= 0,3 (m/s) courbe 8: AT = 0,4 (m/s) Il e st cl air que l'on p eut diminuer l'amplitude de s vibration s en fai s ant varier Ato. On améliore donc ainsi la durée de vie en futigue, dans la mesure o l'on n'introduit pas de vibrations trop importantes à des fréquences plus élevées. Ainsi, sur la figure 3, dans le cas d'un riser accroché (courbe 6), l0 l'amplitude maximale des vibrations est considérablement réduite au point rétérencé 9. La localisation du maximum d'amplitude est également modifiée par la présence d'un mouvement en tête, et le nouveau maximum référencé 9' est inférieur au maximum obtenu sans mouvement (courbe 6). De plus, il est clair que les vitesses de déplacement optimales calculées 1S peuvent être obtenues à l'aide de dispositifs industriels, comme des vérins hydrauliques. Ainsi, l'inventi on permet de ré duire l ' amplitude de s vibrations induite s par vortex, en imposant de manière active un déplacement en tête du riser. La figure 4 illustre les moyens de suspension d'une extrémité supérieure 12 d'un riser. Les efforts verticaux sont repris par des tensionneurs 11 conventionnels, par exemple du type vérins hydrauliques. Des actionneurs 10 mécaniques (par exemple des vérins hydrauliques) dont le comportement mécanique peut être passif ou actif autorisent le déplacement horizontal de la tête du riser. Bien entendu, les tensionneurs 11 sont adaptés à suivre le déplacement horizontal de la tête du riser. On choisit les paramètres de raideur, d'amortissement, ou les forces ou déplacements imposés, pour contrôler les phénomènes de VIV par les actionneurs 10. Un tel système d'actionneur peut également être couplé à des appareils de mesure des vibrations du riser et à des courantomètres de manière à contrôler au mieux les VIV. La boucle de contrôle fait alors appel à un modèle de calcul des VIV tel que décrit précédemment, modèle destiné à ajuster au mieux les paramètres de déplacement horizontaux, en fonction des vibrations du riser. En tant que composant de systèmes ressorts/amortisseurs 10, il est possible d'utiliser des fluides magnéto-rhéologiques (MR). Un fluide magnéto-rhéologique est une composition dispersée (par exemple huile de silicone + particules à propriétés magnétiques) dont la propriété fondamentale est d'avoir un comportement rhéologique modifié en fonction de la présence d'un champ magnétique. Sous l'action d'un champ magnétique, les particules dispersées forment des agrégats, ou des sortes de colonnes alignées dans la direction des lignes de champ. Lorsque le système est soumis à de petites déformations, des forces de rappel existent entre les particules qui tendent à ramener les colonnes dans la direction des lignes de champ. Cependant, au-delà d'une certaine déformation critique, la force de rappel n'est pas suffisante et les particules sont alors entraînées par le champ de cisaillement. On évolue ainsi d'un comportement de solide élastique à celui d'un liquide visqueux en passant par un comportement intermédiaire viscoélastique. L'intensité du champ magnétique, la fraction volumique en particules ainsi que leur taille sont autant de paramètres qui permettent de moduler la réponse du système (écoulement du fluide). De tels fluides peuvent alors être utilisés avantageusement dans la réalisation de systèmes ressorts/amortisseurs 10 dont on voudrait modifier les caractéristiques mécaniques, par exemple en fonction du courant. REVENDICATIONS 1. Système pour limiter les vibrations induites par vortex sur une colonne montante (2) suspendue par une extrémité à un support et soumise à des écoulements fluides sensiblement transverses, caractérisé en ce que des moyens de suspension (11) de ladite colonne audit support comportent des moyens de déplacement (1, 10) de ladite extrémité selon une direction transverse, par rapport à l'axe principal de ladite colonne. 2. Système selon la revendication 1, dans lequel lesdits moyens de déplacement sont adaptés à permettre le déplacement de ladite extrémité selon toutes les directions. 3. Système selon l'une des revendications 1 ou 2, dans lequel lesdits moyens de déplacement transverse comprennent des éléments passifs du type ressort ayant une raideur détermince. 4. Système selon l'une des revendications 1 à 3, dans lequel lesdits moyens de déplacement transverse comprennent des éléments passifs ayant une caractéristique d'amortissement déterminée. 5. Système selon l'une des revendications 3 ou 4, dans lequel lesdits éléments passifs comprennent des éléments à matériaux magnéto- rhéologiques. 6. Système selon la revendication 1, dans lequel lesdits moyens de déplacement transverse comprennent des éléments actifs pour imposer un déplacement transverse à ladite extrémité. 7. Système selon la revendication 6, dans lequel lesdits éléments actifs comportent des moyens de contrôle et/ou de réglage des déplacements en fonction des vibrations induites. 8. Méthode pour limiter les vibrations induites par vortex sur une colonne montante suspendue par une extrémité à un support et soumise à des écoulements fluides sensiblement transverses, caractérisée en ce que l'on suspend ladite colonne audit support par des moyens autorisant le déplacement de ladite extrémité selon une direction transverse, par rapport à l'axe principal de ladite colonne. 9. Méthode selon la revendication 8, dans laquelle on détermine la raideur et/ou l'amortissement desdits moyens autorisant le déplacement en fonction des vibrations induites. 10. Méthode selon la revendication 8, dans laquelle on déplace ladite extrémité à l'aide de moyens actifs en fonction des vibrations induites. S 11. Méthode selon la revendication 1O, dans laquelle on déplace ladite