Brevet FR2889575A1 — publié le 20070209

DISPOSITIF DE LESTAGE ET PROTECTION D'UN TUBE A PAROIS ET SECTION FLEXIBLES, DESTINE A ETRE INSTALLE EN MILIEU LIQUIDE TRANSPORTANT UN FLUIDE PLUS LEGER QUE LE MILIEU LIQUIDE La présente invention concerne un dispositif de lestage et de protection destiné à équiper un tube à parois et à section flexibles, installé en milieu liquide, marin ou non et transportant un fluide plus léger que le milieu liquide. Un tel tube à parois et à section flexibles et son procédé de fabrication et de mise en place sont décrits dans le brevet français du demandeur FRA-2 786 246. Lorsqu'on désire installer un tube à parois et section flexibles pour le transport d'un fluide dans un milieu liquide, marin ou non, il est nécessaire de déployer sur le tube un ou des dispositifs destinés à assurer sa stabilité sur le fond vis-à-vis des forces extérieures, gravité, efforts hydrodynamiques ou autres ainsi que sa protection mécanique vis-à-vis des agressions éventuelles, chaluts, ancres ou autres. Un tel dispositif peut être constitué de blocs de lestage attachés à intervalles réguliers au tube. Ce dispositif ne peut assurer simultanément la protection mécanique de l'ouvrage contre les agressions mécaniques extérieures. II faut donc lui adjoindre un autre dispositif comprenant par exemple des plaques destinées à jouer un rôle de bouclier. Cependant l'installation de la conduite équipée de ces dispositifs devient très lente et trop coûteuse pour les applications recherchées. II n'existe pas de dispositifs combinés assurant simultanément les fonctions de lestage et de protection de manière suffisamment économique et rapide. On a décrit dans la demande de brevet français No. 0310415 déposée le 3 septembre 2003 par le demandeur un dispositif destiné au transport de liquide dans un milieu marin comprenant un tuyau constitué d'un tube en matière tissée en continu de fils synthétiques, et comportant des moyens de lestage constitués par une succession d'éléments de lestage, de préférence non jointifs les uns avec les autres, placés au dessus du tuyau et en contact avec celui-ci sur sa moitié supérieure, lesdits éléments de lestage étant constitués chacun de deux plans inclinés reliés par leur arête commune, rectiligne ou arrondie, de manière que lesdits plans inclinés forment un angle a dans lequel vient s'inscrire le cercle formé par la coupe du tuyau selon un plan perpendiculaire à son axe longitudinal. Un tel dispositif a donné de bons résultats mais il nécessite d'être encore amélioré. En effet, chaque élément de lestage est constitué par deux plans inclinés reliés par leur arête commune et donc ils forment un ensemble rigide de masse constante. Ainsi, avec ce dispositif, lorsque le fond marin comporte des dénivellations, il n'est pas possible de régler la garde au sol minimale que l'on veut conserver entre la génératrice inférieure du tube et le fond du milieu liquide environnant. La présente invention a pour but de remédier aux inconvénients des dispositifs de la technique antérieure. Un objectif de l'invention est donc de mettre à disposition un dispositif destiné au transport dans un milieu liquide environnant d'un fluide plus léger que le milieu liquide comprenant un tuyau constitué d'un tube à parois et à section flexibles, et comportant des moyens de lestage permettant de régler la garde au sol minimale entre la génératrice inférieure du tube et le fond du milieu liquide environnant. Un autre objectif de la présente invention est d'utiliser des moyens de lestage qui ont également pour fonction la protection d'un tube à parois et à section flexibles d'un dispositif destiné au transport dans un milieu liquide de fluide plus léger que le milieu liquide. Encore un autre objectif de l'invention est d'utiliser les moyens de lestage comme moyens d'ancrage c'est-à-dire d'immobilisation du tube sur le fond du milieu liquide environnant. A cet effet, la présente invention concerne un dispositif de lestage, d'ancrage et de protection d'un tuyau constitué d'un tube à parois et à section flexibles destiné au transport dans un milieu liquide environnant d'un fluide plus léger que ledit milieu liquide, caractérisé en ce qu'il est constitué d'une pluralité d'éléments unitaires reliés entre eux par un réseau bidimensionnel de liens flexibles, ledit réseau formant avec desdits éléments unitaires une nappe souple et flexible. Selon l'invention, les éléments unitaires peuvent être de forme régulière ou irrégulière, carrée, rectangulaire, hexagonale, etc. Une partie des éléments unitaires peut être courbée de manière à épouser la surface du tube qui est en contact avec le dispositif. La masse et le volume des liens par unité de surface sont négligeables par rapport à la somme des masses et à la somme des volumes des éléments unitaires par unité de surface. Le dispositif est tel que les liens sont de préférence constitués d'une matière identique ou similaire à la matière dont est constituées le tube à parois et à section flexibles. Les éléments unitaires sont de préférence constitués d'une matière de masse volumique comprise entre 1400 et 3040 kg/m3, de préférence entre 1400 et 2400 kg/m3 et plus préférablement égale à1600 kg/m3. Le dispositif selon l'invention comprend une nappe constituée d'éléments unitaires de forme constante, régulière ou non, carrée, rectangulaire ou autre, reliés entre eux par un réseau bidimensionnel de liens flexibles assurant la transmission des efforts de tension, mais possédant une inertie de section très faible de manière à ne pas transmettre de moments fléchissant. Le dispositif se comporte alors comme un tissu dont la masse par unité de surface À est définie par la surface de chaque élément et le nombre d'éléments par unité de surface et dont la masse volumique est égale à la masse volumique du matériau constitutif des éléments p, si l'on néglige la masse et le volume des liens constituant le réseau. La nappe selon l'invention est destinée à être posée sur la génératrice supérieure d'un tube à parois et à section flexibles qui transporte un fluide dont la masse volumique est inférieure à celle du milieu environnant, créant de ce fait une poussée supérieure au poids du tube lui-même, qui est donc flottant dans les conditions décrites. L'utilisation de cette nappe permet d'appliquer au tube un poids "fondrier" suffisant pour le maintenir en équilibre sur le fond à une hauteur qui dépend des paramètres de construction choisis et qui peut être ajustée, et faire reposer sur le fond une fraction suffisante du tablier pour mobiliser par frottement de cette partie sur le fond une réaction horizontale suffisante pour contrer les efforts hydrodynamiques induits par l'environnement extérieur. Lorsque la nappe est posée sur le tuyau, la ligne moyenne de la nappe suit la courbure de la surface du tuyau, ce qui évite le cisaillement des liens par les efforts d'appui de la nappe sur la paroi du tuyau. La figure 1 représente le tube flexible en coupe équipé de la nappe de lestage et de protection selon l'invention. La figure 2 représente une élévation du tube flexible installé sur le fond marin, avec le tablier de lestage et de protection. La figure 3 représente une vue de face d'un panneau unitaire de la nappe de lestage et de protection. Comme on le voit sur la figure 1, le tube tissé 1 n'est pas posé sur le fond marin 2 mais est distant du fond marin 2 d'une distance appelée "garde au sol". Selon un mode de réalisation préféré de l'invention la nappe 3 de protection et de lestage est constituée par des plaques 4 d'un matériau type fibrociment, d'une masse volumique comprise entre 1400 et 3040 kg/m3 et de préférence 1600 kg/m3, d'une largeur comprise entre 20 cm et 60 cm et de préférence 30 cm, d'une longueur comprise entre 3 m et 6 m et de préférence 4 m, d'une épaisseur comprise entre 2 cm et 10 cm et de préférence 5 cm, reliées entre elles par un réseau de liens 5 fabriqués dans le même matériau que le tube 1 flexible ou dans un matériau similaire, assemblées suivant la figure 3. Sur la figure 3 on a représenté pour plus de facilité le réseau de liens dont une première série est constitués de liens parallèles entre eux et dont la seconde série est constituée de liens parallèles entre eux mais perpendiculaire à la première série. Un tel agencement est un mode de réalisation préféré, mais bien entendu l'angle entre la première série de liens et la seconde série de liens peut être différent de 90 . On peut également prévoir plus de deux séries de liens. Mais les liens et les plaques doivent former une nappe flexible déformable. Les plaques peuvent être planes mais également courbes. Le rayon de courbure des plaques ou de leur surface d'appui est alors adapté au rayon de courbure de la surface du tuyau pour que la nappe vienne reposer sur la partie supérieure du tuyau. Les plaques courbes sont alors situées dans la partie médiane de la nappe qui est en contact avec le tube, c'est- à-dire entre ses deux extrémités. Un tel dispositif permet de maintenir, lester et protéger un tube de diamètre D compris entre 1 m et 4 m et de préférence 3 m à une distance comprise entre 0,50 m et 1,50 m et de préférence 1m du fond du milieu liquide environnant et lui assurer un lestage de stabilisation compris entre 20 kg/ml et 500 kg/ml et de préférence 350kg/ml kg au delà de l'équilibre de la poussée d'Archimède. Le fonctionnement du dispositif ou système selon l'invention peut être décrit de la manière suivante: 1. Données relatives à l'ouvrage Soit D le diamètre extérieur du tube. Soit pila masse volumique du fluide transporté. Soit pe la masse volumique du fluide environnant le tube (avec Pe)' Pi). Soit p la masse du tube par unité de longueur axiale. Soit e l'épaisseur du tube On appelle p total la masse du tube par unité de longueur axiale quand il est plein du fluide transporté. p total = rr/4. (D-2.e)2. pi + p Ainsi, la poussée d'Archimède par unité de longueur de l'ouvrage est: FA = Ve. Pe. g, où Ve est le volume extérieur du tube: Ve = rr/4. D2. Pe et g l'accélération de la pesanteur. La poussée résultante par unité de longueur de l'ouvrage est: FR= FA- p totaiÉg 2. Lestage du tube Pour assurer l'équilibre du tube, il faut contrer cette poussée par un poids "fondrier" équivalent. Pour assurer la stabilité de l'ouvrage sous l'effet des forces extérieures, il faut ajouter un poids "fondrier" supplémentaire. On propose de lester le tube par une nappe 3 souple de lestage 20 placé au dessus du tube 1 et retombant des deux cotés du tube 1 sur le sol marin 2. On appelle ho la garde au sol minimale G que l'on veut conserver entre la génératrice inférieure du tube et le fond du milieu liquide environnant. Lorsque le poids "fondrier" du tablier de lestage est égal ou supérieur à la poussée résultante FR, le tablier repose partiellement par ses bords sur le fond. Il existe dans le tablier sur chaque coté du tube un point neutre ou le tablier n'est ni en tension verticale ni en compression. On appelle ces points A et B. On appelle C et D les extrémités du tablier de lestage qui reposent librement sur le fond du milieu liquide environnant. Le poids de la partie de la nappe 3 de lestage comprise entre les points A et B, passant par le sommet S du tube est exactement suffisante à assurer l'équilibre du tube à une distance ho du fond du milieu liquide environnant. Le poids de la partie du tube située entre les points A et C et B et D de chaque coté du tube 1 sert à assurer l'excès de poids fondrier requis pour assurer la stabilité de l'ouvrage sous l'effet des forces extérieures. La partie ASB de la nappe sert aussi à assurer la protection de l'ouvrage contre des chocs et des poinçonnements. Dans ces conditions, on observe que: La longueur de l'arc ASB est LASB = 2.ho+D. (1+n/2) Cette longueur doit fournir un poids "fondrier" égal à la poussée résultante FR. On appelle À1 la masse au m2 du matériau constitutif de la nappe de lestage et pi la masse volumique de ce même matériau dans l'arc ASB. La masse par unité de longueur axiale de la nappe de lestage est À1..LASB, où LASB est la longueur de l'arc ASB de la nappe de lestage. Le poids "fondrier" correspondant est À1..LASB. g. (Pa Pe)/ pi La condition d'équilibre s'écrit donc: À1.. LASB. g. (Pi Pe)1 Pi = FR Soit À2 la masse au m2 du matériau constitutif de la nappe de lestage et p2 la masse volumique de ce même matériau dans la partie inférieure, AC et BD. Le poids "fondrier" supplémentaire fourni par les arcs AC et BD est: À2. (LAC + LBD).g.( P2 Pe)/ P2 = 2.a. À2. g.( P2 Pe)/ P2 où a est la longueur de l'arc AC ou BD. 3. Comportement du système en pseudo statique Dans ces conditions, lorsque le tube n'est pas soumis à des efforts de portance ou de traînée latérale, il est en équilibre à la hauteur ho. Les 30 arcs AC et BD reposent sur le fond du milieu liquide environnant. Si un effort de traînée ou de portance dû à un courant latéral s'exerce sur l'ouvrage, le frottement des portions d'arcs AC et BD sur le fond équilibre l'effort de traînée et le soulèvement partiel de ces mêmes arcs entraîne une augmentation du poids "fondrier" appliqué à l'ouvrage et équilibre la portance considérée dans une configuration où la garde au sol est légèrement supérieure à la garde minimum ho. Ce système permet une adaptation du profil de l'ouvrage au profil du fond sans préparation aucune, les dénivelés étant absorbés par les variations de la garde au sol autorisées par le dispositif. 4. Comportement du système sous l'effet d'impacts mécaniques Lorsque le tube et son système de lestage et de protection sont soumis à des efforts extérieurs de type mécanique (chaluts ancres ou autres), le tube et sa nappe qui sont déformables vont s'effacer devant la progression de l'élément agresseur et le laisser glisser sur la partie supérieure de la nappe tablier de protection jusqu'à ce que l'élément agresseur laisse le tube et la nappe échapper à son emprise. Ceci reste valable si l'élément agresseur ne comporte pas de dispositifs destiné spécifiquement à soulever le tube considéré. L'invention est applicable en particulier au transport d'eau douce par canalisations flexible installée sur le fond marin. Dans ce type d'ouvrage, le tube flexible est constitué d'un tissu fabriqué avec des fibres à haute ténacité et de masse volumique faible, typiquement inférieure à 2 000 kg/m3. Dans ces conditions le tube plein d'eau douce est soumis à une poussée d'Archimède dont la résultante est de 28 kg/m2 de section et par m de longueur. L'utilisation de l'invention permet de stabiliser le tube à une hauteur déterminée au dessus du fond marin, de lui donner une stabilité latérale et axiale pour lui permettre de résister aux sollicitations de l'environnement et de le protéger contre les agressions extérieures. REVENDICATIONS 1. Dispositif de lestage, d'ancrage et de protection d'un tuyau (1) constitué d'un tube à parois et à section flexibles destiné au transport dans un milieu liquide environnant d'un fluide plus léger que ledit milieu liquide, caractérisé en ce qu'il est constitué d'une pluralité d'éléments unitaires (4) reliés entre eux par un réseau bidimensionnel de liens flexibles (5), ledit réseau formant avec lesdits éléments unitaires une nappe souple et flexible. 2. Dispositif de lestage, d'ancrage et de protection selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'au moins une partie des éléments unitaires (4) peut être courbée de manière à épouser la surface du tube qui est en contact avec le dispositif. 3. Dispositif de lestage, d'ancrage et de protection selon la revendication 2, caractérisé en ce que les éléments courbes ont une courbure adaptée à la courbure du tuyau et sont situés dans la partie médiane du dispositif. 4. Dispositif de lestage, d'ancrage et de protection selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les éléments unitaires (4) sont de forme régulière, éventuellement irrégulière, carrée, rectangulaire, hexagonale. 5. Dispositif de lestage, d'ancrage et de protection selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la masse et le volume des liens (5) par unité de surface sont négligeables par rapport à la somme des masses et à la somme des volumes des éléments unitaires par unité de surface. 6. Dispositif de lestage, d'ancrage et de protection selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les liens (4) sont constitués d'une matière identique ou similaire à la matière dont est constituées le tube à parois et à section flexibles. 7. Dispositif de lestage, d'ancrage et de protection selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les éléments unitaires (4) sont constitués d'une matière de masse volumique comprise entre 1400 et 3040 kg/m3 et de préférence entre 1400 et 2400 kg/m3 et plus préférablement égale à1600 kg/m3.