Brevet FR2886711A1 — publié le 20061208

Dispositif de régulation du flambement des conduites sous-marines L'invention concerne un dispositif de régulation (contrôle) du flambement d'une conduite rigide sous-marine, notamment pour le transport de fluides tels que des hydrocarbures, du type conduite simple rigide ou conduite à enveloppe double ( pipe-in-pipe ) avec ou sans isolation thermique. Le problème à résoudre est celui du flambement ( buckling ) des conduites d'hydrocarbures, sous l'effet des contraintes axiales de compression résultant de l'effet conjugué de la température et de la pression du fluide circulant dans la conduite, et de la pression hydrostatique. Passé un certain seuil, ces contraintes peuvent provoquer le flambement de la conduite. On distingue généralement deux types de flambement: - un flambement vertical ( upheaval buckling ) : la conduite se décolle du sol et flambe vers le haut. - un flambement latéral ( lateral buckling ) : la conduite reste au sol et flambe sur les côtés. Il convient d'éviter l'endommagement par flambement d'une conduite rigide devant subir de fortes variations de température et de pression. Il convient aussi d'éviter que le flambement ou l'expansion axiale de la conduite ne conduise à un endommagement des équipements connectés aux extrémités de cette dernière, tels que par exemple des collecteurs ( manifolds , en anglais) ou franchissements ( crossings ) On connaît des dispositifs destinés à stopper la propagation d'un flambement le long d'une conduite sous-marine, ledit flambement pouvant être initié pendant la pose de la conduite, du fait de contraintes excessives au 2886711 2 niveau du tronçon de conduite en chaînette reliant le fond marin au navire de pose. Les documents US 4300598, US 3860039, GB 1564621, US 5458441 et EP 0100099 décrivent de tels dispositifs. Ces dispositifs ne répondent pas au problème posé. Une solution connue consiste à enfouir la conduite dans une tranchée creusée dans le sol. Le flambement latéral est ainsi rendu impossible, puisque la conduite est bloquée sur ses deux côtés par la tranchée. Le flambement vertical reste possible mais il peut être évité si le poids des gravats est suffisant. Cette solution est également peu économique et de surcroît difficile à mettre en oeuvre en mer profonde (1000 m et plus). Une autre solution consiste à utiliser des éléments d'expansion (raccords de canalisation flexibles dits jumpers ) disposés le long de la conduite et destinés à reprendre les contraintes axiales. Le document GB 2287297 décrit une solution consistant à déformer volontairement la conduite lors de la pose de façon à créer des petites courbures alternées et régulières (en forme de vagues) tout le long de la conduite. Ainsi, la conduite offre une moindre résistance à la flexion et aux petits déplacements latéraux, ce qui permet aux contraintes de compression de se libérer de façon homogène, tout le long de la conduite, et d'éviter les flambements et concentrations de contraintes. Cette solution est coûteuse également compte tenu de la déformation sous forme de vague qui doit être menée sur le navire de pose à l'aide d'outillages spécifiques. D'autres solutions visant à contrôler (réguler) le flambement pour faire en sorte que ses effets soient acceptables, ont fait l'objet de conférences 25 relatées dans des publications: OTC (Offshore Technology Conference) 2003 - King Flowlines - Thermal Expansion Design and Implementation. 2886711 3 OMAE (Offshore Mechanics and Arctic Engineering Conference) 1989 - Thermal buckling of pipelines close to restraints L'idée de base commune à ces solutions est de répartir judicieusement plusieurs zones de flambement latéral le long de la conduite, de façon à libérer efficacement les contraintes axiales de compression, tout en faisant en sorte que ces flambements restent acceptables. En pratique, ces solutions font appel à divers dispositifs initiateurs de flambement latéral installés en permanence au niveau des emplacements souhaités. Les flambements s'initiant plus facilement dans les courbes que dans les sections droites, il a été imaginé de courber volontairement la conduite dans les zones où l'on souhaite que se développent les flambements. Une autre solution consiste à réduire localement le poids de la conduite en utilisant des bouées laissées à demeure: les bouées peuvent être sous forme de colliers ( clamps ) installés pendant la pose. Ces bouées réduisent le poids apparent de la conduite et donc la friction latérale avec le sol. De plus, l'augmentation de diamètre au niveau des bouées crée une discontinuité de l'inertie en flexion qui, à elle seule, favorise le flambement. Une autre solution connue visant à initier un flambement latéral en réduisant la friction latérale entre la conduite et le sol consiste à placer entre le fond marin et la conduite des travées ou traverses transversales de glissement sur lesquelles la conduite peut aisément glisser latéralement. Ces travées sont généralement réalisées avec des tubes métalliques de gros diamètre. La réduction de la friction latérale découle d'une part du décollement du pipeline au niveau de son croisement avec la travée (absence de contact avec le sol), et d'autre part du faible coefficient de frottement entre la conduite et la travée. Ces solutions visant à initier et à contrôler les flambements latéraux ne 2886711 4 répondent pas de façon satisfaisante au problème posé. D'une part, l'initiation des flambements n'est pas totalement fiable. D'autre part, ces solutions ne permettent pas de contrôler la forme - le mode - et l'amplitude du flambement et par conséquent les contraintes mécaniques dans la conduite. Enfin, elles ne permettent pas de garantir la reproductibilité des flambements, tant au niveau de leur forme que de leur position, au cours des cycles de température et de pressions appliqués à la conduite. Finalement, malgré un grand nombre de solutions proposées, on s'aperçoit que le problème se pose toujours de pouvoir efficacement réguler 10 le flambement d'une conduite posée sur un fond marin. La présente invention a pour but de proposer une solution à la fois simple et économique permettant de réguler le flambement latéral de manière efficace, de façon à assurer l'intégrité de la conduite et des équipements connectés aux extrémités de cette dernière. L'invention atteint son but grâce à un dispositif pour réguler le flambement latéral d'une section de conduite sous-marine de transport de fluide installée sur un fond marin, comprenant au moins un dispositif d'application permanente d'une force sur un point de ladite section de conduite, caractérisé en ce que ladite force a une composante horizontale perpendiculaire à l'axe de ladite conduite au niveau dudit point d'application de ladite force. Avantageusement, la force appliquée est sensiblement perpendiculaire à l'axe de ladite conduite. Dans un mode de réalisation, la force appliquée est sensiblement horizontale. L'invention constitue de fait également un accumulateur d'expansion permettant, grâce à la régulation du flambement, de détourner efficacement l'expansion axiale de la conduite en expansion latérale, ce qui a pour effet de limiter les déplacements et les charges imposées en extrémité de conduite. Selon le mode de flambement qu'on veut privilégier, le dispositif de 2886711 5 l'invention peut comprendre un seul dispositif d'application de force, ou bien dans la version préférée de l'invention deux dispositifs d'application de force disposés à une distance déterminée l'un de l'autre le long de la section de conduite, à savoir un premier dispositif d'application d'une première force ayant une première composante horizontale perpendiculaire à l'axe de ladite conduite au niveau dudit point d'application de ladite première force, et un deuxième dispositif d'application d'une deuxième force ayant une deuxième composante horizontale perpendiculaire à l'axe de ladite conduite au niveau dudit point d'application de ladite deuxième force, lesdites première et deuxième composantes étant sensiblement parallèles et de sens opposé. Avantageusement, la première et la seconde composante ont des intensités sensiblement égales. Avantageusement, la distance déterminée est comprise entre 30 m et 200 m. Avantageusement, l'intensité de la composante horizontale perpendiculaire à l'axe de la conduite de chaque force appliquée est comprise entre 300 et 7000 daN. Selon un mode de réalisation particulier de l'invention, le dispositif d'application de force comporte un collier, avantageusement en deux parties, entourant la conduite pour fixer une extrémité d'un élément linéaire de traction latérale. De préférence, le collier est monté libre en rotation sur la conduite. L'autre extrémité de l'élément linéaire de traction latérale est liée à un actionneur de type bouée, masse ou treuil motorisé. L'élément linéaire, câble ou chaîne, passe sur au moins un élément de renvoi, de type poulie ou déflecteur, selon la conception retenue. En alternative, le dispositif d'application de force peut comprendre un actionneur de type vérin ou ressort. Il est avantageux de prévoir dans la section de conduite où l'invention 2886711 6 est mise en oeuvre des dispositifs destinés à faciliter le glissement latéral de la conduite en réduisant la friction avec le fond marin, par exemple en prévoyant dans la section des bouées fixes d'allègement de la conduite ou au moins une travée de glissement latéral de la conduite. Les avantages principaux de la présente invention, par rapport à l'art antérieur, sont la possibilité de contrôler précisément la localisation (c'est-à-dire d'éviter que le flambement ne se propage le long de la conduite) et le mode de flambement. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la 10 lecture de la description suivante, en référence aux dessins annexés sur lesquels: -la figure lA est une vue schématique perspective d'une section de conduite selon le premier mode d'application d'une force ayant une composante horizontale perpendiculaire à l'axe de la conduite. -la figure 1B est une vue en plan d'une section de conduite selon trois modes différents d'application de force horizontale perpendiculaire à l'axe de la conduite. -la figure 2 est une vue schématique perspective d'une conduite avec un dispositif de régulation de flambement latéral en mode 2. -la figure 3 est une vue schématique en coupe horizontale de la conduite au niveau d'un collier tournant de fixation du câble horizontal d'application de force. -la figure 4 est une vue en plan d'une section de conduite équipée, en variante, une combinaison de bouées et de colliers de fixation du câble 25 applicateur de force. -les figures 5A et 5B représentent respectivement de profil et en plan une autre combinaison de semelles de glissement et de colliers de fixation du câble applicateur de force. 2886711 7 -les figures 6A et 6B sont des vues schématiques transversales de deux variantes de réalisation d'un dispositif d'application d'une force ayant une composante horizontale perpendiculaire à l'axe de la conduite. La figure lA montre une section de conduite 10 flambant latéralement 5 sous l'influence d'une force F1 appliquée de façon permanente conformément à l'invention. Cette force se décompose selon le repère XYZ en trois composantes perpendiculaires F1X, F1 et Flz. La composante horizontale perpendiculaire à l'axe de la conduite, FIY, est la composante essentielle pour la mise en oeuvre de l'invention. Contre toute attente, l'application permanente de cette composante F1 permet d'initier et de contrôler efficacement le flambement latéral de la conduite 10. La composante verticale F1Z n'est pas nécessaire pour la mise en oeuvre de l'invention, mais peut avoir un effet avantageux. En effet, si cette composante est appliquée dans le sens montant, l'effet obtenu est équivalent à une réduction locale du poids de la conduite 10, ce qui produit une réduction locale des forces de frottement entre la dite conduite et le fond marin et par conséquent facilite l'initiation et le contrôle du flambement latéral. La composante horizontale parallèle à l'axe de la conduite, Flx, est inutile pour la mise en oeuvre de cette invention. Par souci d'efficacité, il est préférable, mais pas absolument nécessaire, que cette composante Flx ait une intensité faible. Selon un mode avantageux de l'invention, la composante Flx a une intensité inférieure à celle de la composante FIY, préférablement inférieure à la moitié de celle de la composante FIY, préférablement inférieure au quart de celle de la composante FIY, préférablement inférieure au dixième de celle de la composante FIY, préférablement inférieure au cinquantième de celle de la composante FIY. Selon un mode avantageux, la force appliquée F1 est sensiblement perpendiculaire à l'axe de la conduite 10 au niveau du point d'application. Selon un autre mode avantageux, la force appliquée F1 est sensiblement 2886711 8 horizontale. Selon un mode particulièrement avantageux, la force appliquée F1 est à la fois horizontale et sensiblement perpendiculaire à l'axe de la conduite 10 au niveau du point d'application. La figure 1B montre une section de conduite 10 flambant de manière privilégiée dans un des trois premiers modes de flambement sous l'influence de la force ou des forces F; appliquées de façon permanente conformément à l'invention. Sur cette figure, sont représentées uniquement les composantes F;Y des forces appliquées F; , lesdites composantes étant à la fois horizontales et perpendiculaires à l'axe de la conduite, c'est-à-dire parallèles à l'axe Y du repère XYZ. Les composantes selon les axes X et Z de chaque force appliquée ne sont pas représentées, car elles n'ont pas une fonction essentielle pour la mise en oeuvre de l'invention. Cependant, ces composantes peuvent ne pas être nulles. - Selon le ler mode, une seule force horizontale F1Y est 15 appliquée et détermine le flambement en mode 1, avec une seule boucle latérale. Selon le 2x1 mode, deux composantes F21Y et F22Y, orientées dans des sens opposés, sont appliquées de façon décalée le long de la section de conduite, avec un décalage constant L2, et déterminent le flambement en mode 2, avec des boucles alternées équilibrées de part et d'autre de l'axe central de la conduite non flambée. Selon un mode avantageux de réalisation, l'écart relatif entre les intensités des composantes F21Y et F22Y est inférieur à 30%, préférablement inférieur à 20%, préférablement inférieur à 10%. Selon un mode de réalisation particulièrement avantageux, les composantes F21Y et F22Y ont sensiblement la même intensité. Selon le 3e mode, trois composantes alternativement opposées F32Y, F31Y et F33Y, sont appliquées avec des décalages L3 et L4 constants et avantageusement sensiblement égaux, et déterminent le flambement en mode 2886711 9 3, avec des boucles alternées inégales de part et d'autre de l'axe central de la conduite non flambée. Selon un mode de réalisation avantageux, les intensités des composantes F32Y et F33Y sont sensiblement égales à la moitié de l'intensité de la composante F31Y. Bien qu'en théorie, des variantes à plus de trois forces puissent être imaginées, elles ne présentent pas d'intérêt pratique en raison de la complexité des dispositifs associés. De plus, du point de vue du dimensionnement de la conduite, le mode le plus favorable est le 2e mode: en effet, à niveau égal de contrainte maximum admissible au niveau du flambement (par exemple 90% de la limite élastique), c'est celui qui permet de libérer les plus fortes contraintes axiales de compression; d'autre part, il présente aussi la meilleure stabilité latérale (au cours des cycles flambement/retour) de fait de l'application de 2 forces de sens opposés. L'intensité des forces Fiy à appliquer pour initier et contrôler le flambement est beaucoup plus faible que l'intensité des forces de compression axiale qui sont libérées lors du flambement. Ceci constitue une caractéristique particulièrement avantageuse de l'invention car elle permet en pratique d'utiliser des forces Fiy d'intensité relativement faible, pouvant par conséquent être générées par des dispositifs simples et économiques. L'intensité de la force F1y horizontale et perpendiculaire à l'axe de la conduite de chaque force F, appliquée est comprise entre 100 et 10000 daN, avantageusement 300 et 7000 daN. Dans le cas des modes 2 ou 3, les distances L; séparant les points d'application des forces sont avantageusement comprises entre 30 et 200 m. Elles sont calculées au cas par cas, lors de la conception, en fonction de la structure de la conduite, de façon à s'assurer de l'acceptabilité et de l'efficacité du flambement. 2886711 10 L'invention peut être mise en oeuvre de façon simple et fiable à l'aide d'un dispositif tel que celui qui va être décrit en liaison avec la figure 2, dans le cas particulier du deuxième mode de flambement. Chaque force sensiblement horizontale et perpendiculaire à l'axe de la conduite est générée par une bouée 11 totalement immergée, reliée à la section de conduite 10 par un câble ou une chaîne 12 via un renvoi d'angle 13 ancré par un dispositif d'ancrage 14 au sol, le renvoi d'angle étant du type déflecteur (figure 2) ou poulie. La liaison entre la conduite 10 et la chaîne 12 peut être faite via un collier de serrage ( clamp ) 15. Celui-ci est avantageusement en deux parties serrées autour de la conduite 10 et installé sur le navire de pose. Pour faciliter l'installation, on peut prévoir un degré de liberté en rotation autour de l'axe de la conduite entre le collier 15 d'une part et le point d'attache de la chaîne ou câble 12 d'autre part. Par exemple, comme montré sur la figure 3, le collier peut comprendre une partie fixe 16 directement serrée sur la conduite, sous forme de manchon définissant une nervure périphérique 17 et une partie mobile en rotation sous forme d'une bride 18 venant coiffer la nervure 17. Le manchon 17 et la bride 18 peuvent être eux-mêmes en deux parties pour faciliter leur montage sur la conduite 10. La bouée 11 est relativement compacte (de l'ordre de 1 à 2 m de coté) du fait des faibles forces à produire. La figure 2 montre la conduite 10 rectiligne, à l'installation avant flambement, sur une section de laquelle les dispositifs 11-15 appliquent des forces sensiblement horizontales égales et opposées, en des points de la section éloignés d'environ 60 m. Sous l'action du chauffage et de la pressurisation de la conduite 10, celle-ci flambe de manière privilégiée dans la section équipée, selon le mode 2, et prend la position 10', avec deux 2886711 11 boucles marquées (le déport latéral maximum peut être de l'ordre d'une dizaine de mètres). Après refroidissement et dépressurisation, la conduite retourne dans une position intermédiaire 10" entre la position initiale 10 et la position de flambement 10', cette position intermédiaire traduisant notamment l'influence du frottement entre la conduite et le sol. Il peut être avantageux de combiner la présente invention avec l'une des solutions antérieures visant à réduire la friction latérale entre la conduite et le sol. En effet, le fait de réduire la friction latérale facilite l'initiation du flambement: on peut réduire les forces horizontales F1 ; à efficacité égale, on génère moins de contraintes, et on réduit le phénomène d'hystérésis des positions de flambement: si on supprimait totalement la friction latérale, la conduite aurait tendance à toujours revenir à la même position initiale (rectiligne par exemple) entre deux cycles de flambement successifs. En pratique, on envisage plusieurs variantes de combinaison: Selon la combinaison illustrée sur la figure 4, dans la zone de flambement, la conduite est supportée par des bouées fixes 20 installées lors de la pose. Ces bouées réduisent le poids apparent de la conduite 10, et peuvent même, en fonction de la conception retenue, faire décoller localement la conduite 10 du fond marin. Le ou les colliers 15 servant à fixer la ou les chaînes sont intercalés entre les bouées 20, ou bien fixés directement sur des bouées prévues à cet effet, qui peuvent avoir sensiblement la forme des manchons 16 de la figure 3. Selon une autre combinaison illustrée sur les figures 5A et 5B, on installe dans la zone de flambement une ou plusieurs travées de glissement 30, transversalement à la conduite 10, destinées à faciliter son glissement latéral lors du flambement. L'espacement T entre les travées peut être de 2886711 12 quelques dizaines de mètres, et la longueur de chaque travée peut aussi être de quelques dizaines de mètres. Chaque travée peut être réalisée de manière connue en soi par un tuyau disposé transversalement sous la conduite 10. Selon la figure 2, la force appliquée est créée par un système de bouée 11 mais il va de soi qu'on peut utiliser n'importe quel autre type de dispositif. Par exemple, sur les figures 6A et 6B, on a représenté l'application d'une force F par l'intermédiaire d'un câble ou chaîne 12 dont une extrémité est attachée à un collier 15 de serrage de la conduite 10 et dont l'autre extrémité est mise en tension permanente par une masse 11' de densité supérieure à celle de l'eau, une ou plusieurs poulies 13' autorisant les renvois nécessaires. La configuration illustrée sur la figure 6A permet de combiner de façon simple et économique l'application d'une force Fy horizontale et perpendiculaire à la conduite 10, destinée à initier et contrôler le flambement latéral, avec une force FZ verticale ayant pour effet de réduire localement le poids apparent de la conduite, et donc de la friction latérale avec le sol. On pourrait avoir un actionneur utilisant un vérin pneumatique, hydraulique ou électrique, ou bien un treuil motorisé, ou encore un ressort de traction ou de compression. Un dispositif selon la présente invention permet en pratique de libérer et de contrôler efficacement les contraintes axiales de compression sur un tronçon de conduite de longueur pouvant atteindre 1 à 4 km, cette longueur dépendant principalement des caractéristiques de la conduite et du fond marin, de la température et de la pression du fluide transporté, et de la pression hydrostatique. Dans le cas d'une conduite de plus grande longueur, par exemple de l'ordre de la dizaine de kilomètres, il est nécessaire de prévoir plusieurs 2886711 13 dispositifs conformes à la présente invention, et des les répartir le long de la conduite à intervalle moyen variant entre 500 m et 4 km. Plus les contraintes axiales de compression peuvent atteindre un niveau élevé (conduite véhiculant un fluide à haute température par exemple), plus cet intervalle doit être raccourci pour libérer efficacement lesdites contraintes tout en évitant de générer des flambements inacceptables et non contrôlables. 2886711 14 REVENDICATIONS 1) Dispositif pour réguler le flambement latéral d'une section de conduite sous-marine (10) de transport de fluide installée sur un fond marin, comprenant au moins un dispositif (11-15) d'application permanente d'une force sur un point de ladite section de conduite (10), caractérisé en ce que ladite force a une composante horizontale perpendiculaire à l'axe de ladite conduite au niveau dudit point d'application de ladite force. 2) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la force appliquée est sensiblement perpendiculaire à l'axe de ladite conduite. 3) Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que la force appliquée est sensiblement horizontale; 4) Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il comprend deux dispositifs (11-15) d'application de force disposés à une distance déterminée l'un de l'autre le long de la section de conduite (10), à savoir un premier dispositif d'application d'une première force ayant une première composante horizontale perpendiculaire à l'axe de ladite conduite au niveau dudit point d'application de ladite première force, et un deuxième dispositif d'application d'une deuxième force ayant une deuxième composante horizontale perpendiculaire à l'axe de ladite conduite au niveau dudit point d'application de ladite deuxième force, lesdites première et 2886711 15 deuxièmes composantes étant sensiblement parallèles et de sens opposé. 5) Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que la première et la seconde composante ont des intensités sensiblement égales. 6) Dispositif selon l'une quelconque des revendications 4 ou 5, caractérisé en ce que la distance déterminée est comprise entre 30 et 200 m. 7) Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que l'intensité de la composante horizontale perpendiculaire à l'axe de la conduite de chaque force appliquée est comprise entre 300 et 7000 daN. 8) Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le dispositif (11-15) d'application de force comporte un collier (15) entourant la conduite (10) pour fixer une extrémité d'un élément linéaire de traction latérale (12). 9) Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce que le collier (15) est monté libre en rotation sur la conduite (10). 10) Dispositif selon l'une quelconque des revendications 8 ou 9, caractérisé en ce que l'autre extrémité de l'élément linéaire de traction latérale (12) est liée à un actionneur de type bouée (11), masse (11') ou treuil motorisé. 11) Dispositif selon la revendication 10, caractérisé en ce que l'élément linéaire (12) passe sur au moins un élément de renvoi, de type poulie (13') ou déflecteur (13). 12) Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le dispositif d'application de force comprend un actionneur 5 de type vérin ou ressort. 13) Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 12, caractérisé en ce qu'il comprend dans la section des bouées fixes (20) d'allègement de la conduite. 14) Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 13, caractérisé en ce qu'il comprend dans la section au moins une travée (30) de glissement latéral de la conduite (10).