Brevet FR2937628A1 — publié le 20100430

DISPOSITIF DE SECURITE A DECOUPE DE CABLE OU CORDAGE EN MILIEU EXPLOSIBLE Objet de l'invention [0001] La présente invention se rapporte à un dispositif de sécurité dans des applications nécessitant des moyens pour libérer la liaison mécanique par câble ou par cordage d'un ensemble de deux éléments, en particulier en milieu explosible. 0002] En particulier, l'invention se rapporte à la sécurisation des exploitations des bras de chargement/déchargement marins de navires transportant du combustible liquide ou gazeux, tels que méthaniers ou pétroliers, plus particulièrement dans les applications off-shore. Arrière-plan technologique [0003] Il est connu que de plus en plus d'installations de chargement et de déchargement de méthanier et/ou pétrolier sont installées sur des plateformes ou jetées off-shore à quelques miles des côtes. Ceci permet d'éviter, en cas de problème lors du transfert, des dégradations ou des pollutions du milieu environnant, une ville au bord de la côte par exemple. [0004] Dans ce contexte, le document FR-A-2 854 156 décrit un ensemble de chargement/déchargement de produits fluides, comportant un bras équilibré de chargement/déchargement installé à un premier emplacement et ayant un compas de canalisation monté par l'une de ses extrémités sur une embase et pourvu à l'autre de ses extrémités d'un système de raccordement adapté à raccorder le compas de canalisation à un moyen de couplage installé au second emplacement. Cet ensemble comporte en outre un câble relié d'une part à des moyens solidaires de l'embase et adaptés à soumettre ce câble à une tension constante et apte à être relié, d'autre part, au second emplacement (au manifold du navire). Il comporte en outre des moyens de guidage aptes à coopérer avec le câble de sorte à guider le système de raccordement le long d'une trajectoire matérialisée par ledit câble jusqu'à amener le système de raccordement dans une position de connexion au moyen de couplage. [0005] N'étant pas protégées par des digues, ces installations présentent donc un bras articulé en compas équipé d'un système à câble de guidage et de synchronisation, appelé ci-après moyen de guidage du câble, pour amener au niveau des brides du manifold du navire ou du bateau la vanne de connexion située sur la plateforme, sans être gêné par les mouvements du navire consécutifs à la houle. [0006] La figure 1, adaptée du document FR-A-2 854 156, montre un exemple de moyen de guidage du câble équipant un bras de chargement 1 de gaz naturel liquéfié. Celui-ci est composé de un treuil à tension constante 2 ; un treuil d'approche 3 ; un câble 4 ; une poulie de renvoi 5 ; un tourillon d'extrémité et la motorisation de la 30 rotation 6 ; un cône femelle pour l'alignement 7 ; un � spool � 8 avec un cône récepteur mâle et des moyens de fixation du câble. [0007] Le but du moyen de guidage du câble est d'appliquer progressivement les mouvements du bateau liés à la présence de vagues ou de houle au bras de chargement pendant la durée de connexion sur le manifold du bateau. Le câble 4 est maintenu sous tension constante de manière à guider l'extrémité du bras vers le manifold du bateau 9. Pendant cette phase, le bras 1 est en � roue libre � et est guidé uniquement par le câble 4. [0008] Le câble 4 est maintenu sous tension entre le manifold du bateau 9 et l'embase 10 de chaque bras. Cette tension est appliquée grâce au treuil à tension constante 2 placé au pied de l'embase 10. Ce treuil utilise un moteur hydraulique qui est alimenté par une pression hydraulique constante. Si la distance entre le bateau et la jetée augmente, le treuil laissera le câble se dérouler tout en maintenant le câble tendu. Si la distance entre le bateau et la jetée diminue, le treuil enroulera le câble toujours en maintenant constante la tension dans le câble. [0009] Pour l'approche du bras 1 vers le manifold du bateau 9, l'extrémité du bras placé en � roue libre � est guidée par le câble 4 et un treuil spécifique appelé � treuil d'approche � 3 placé à l'extrémité du bras 1 tire celle-ci dans une direction ou une autre en utilisant la friction du câble. [0010] Le câble 4 passe à travers un cône femelle 7 également situé à l'extrémité du bras 1. Le câble 4 est ensuite accroché au cône mâle 8 situé sur le manifold du bateau 9. [0011] A la fin de la phase d'approche, les cônes 7, 8 s'engagent l'un dans l'autre ce qui permet d'assurer un bon alignement. Une fois le bras connecté, la tension constante (typiquement 3 à 4 tonnes) est relâchée. Une tension réduite (à environ 500 kg) est appliquée dans le câble pour éviter tout accrochage du câble avec des éléments environnants. Les autres bras sont connectés en utilisant la même procédure. [0012] Pour la déconnexion, le même principe est utilisé. La seule différence est que le treuil d'approche 3 sera activé dans l'autre direction. [0013] Dans le cas d'un dispositif de chargement/déchargement à quatre bras par exemple, la connexion nécessite environ une heure. Le chargement du méthanier nécessite ensuite 12-24 heures, selon la capacité du navire, le débit, etc. A la fin du chargement, une heure est requise pour la purge et l'inertage des bras, une heure supplémentaire pour déconnecter les bras. Approche problème-solution [0014] L'effort maximum axial autorisé au niveau des manifolds du bateau est de quelques tonnes. Dans toutes les phases de fonctionnement, la force appliquée sur le manifold est inférieure par exemple à cinq tonnes. Il y a un clapet hydraulique libérant la pression en cas de problème hydraulique sur le treuil à tension constante, situé en pied de bras. [0015] En cas de déconnexion d'urgence, le câble de guidage se dévide du tambour du treuil du bras considéré et tombe à l'eau. Néanmoins, en cas de blocage mécanique du treuil à tension constante, le câble reste accroché à ses deux extrémités et le câble ne peut plus se dérouler. Si le bateau continue à bouger au gré des vagues ou à s'éloigner à cause d'une dérive importante, la force appliquée sur le manifold du bateau n'est absolument plus contrôlée et peut dépasser très largement le seuil admissible pour ces manifolds. S'il y a un blocage mécanique de ce type, le risque est d'endommager les manifolds du bateau avant que le câble ne se rompe. En effet, le câble utilisé pour cette application a une résistance à la rupture proche de 40 tonnes (pour un diamètre de 22 mm). [0016] Pour solutionner ce problème, il convient de mettre un œuvre un sectionneur de câble automatique, qui a la capacité de sectionner le câble de guidage quelle que soit la phase de fonctionnement du bras de chargement (connexion ou déconnexion du bras sur les manifolds du bateau, chargement ou déchargement). [0017] Par ailleurs, les bras de chargement du type précité évoluent dans des environnements classifiés � Atmosphères Explosibles �. Ils doivent en conséquence être en accord avec la directive européenne � 94-9-CE ATEX �. Cette directive s'applique donc pour le dispositif de sectionnement du câble de guidage, qui doit comporter des moyens de protection adéquats. Etat de la technique [0018] Le document FR-A-2 897 548 divulgue un système de sécurité pour un bateau comportant un câble relié au bateau par une première extrémité et étant immergé par sa deuxième extrémité à laquelle est attaché un objet susceptible de traîner de façon immergée, par exemple un filet de pêche. Ce système comprend des moyens de détection de la position du bateau, des moyens de détection de la tension du câble, au moins un système d'alarme commandé par des moyens électroniques et un sectionneur de câble commandable à distance et possédant des moyens de positionnement du câble susceptible de défiler. Ainsi, il est possible de sectionner un câble en fonction des conditions anormales d'assiette, c'est-à-dire de position du bateau et de tension du câble, c'est-à-dire dans des conditions anormales de flottaison du bateau dues à une très grande résistance due à l'objet fixé à l'extrémité du câble, tel le filet de pêche. [0019] On connaît par ailleurs des sectionneurs de câbles. Le document US 6,878,024 B1 décrit un système de largage hydrostatique destiné à trancher un câble sécurisant un objet flottant à un engin maritime, lorsque ce dernier est immergé à une profondeur prédéterminée. La mise à feu d'un sectionneur pyrotechnique est déclenchée lorsque ladite profondeur est détectée. Le document WO 2007/096335 Al divulgue un sectionneur pyrotechnique de câble, au moyen d'une charge creuse, ayant une section de structure transversale en � V � et une forme partiellement annulaire, de manière à entourer partiellement la pièce de section circulaire à sectionner et comprenant des moyens d'amorçage de la charge creuse et des moyens de positionnement de la pièce de section circulaire à sectionner par rapport à la charge creuse. D'autres sectionneurs pyrotechniques sont décrits dans les documents US 5,177,317 A, WO 94/25212 Al et US 6,349,474 B1. 7 Buts de l'invention [0020] La présente invention vise à s'affranchir des inconvénients de l'état de la technique, inhérents à l'utilisation de moyens de guidage à câble dans les bras de chargement et déchargement de navires transportant du combustible liquide ou gazeux. [0021] En particulier, l'invention a pour but de fournir un système de sécurité qui permette de sectionner automatiquement et de manière fiable et précise ledit câble lors d'un blocage du treuil à tension constante. [0022] En outre, l'invention a pour but de fournir un système de sécurité présentant des moyens de protection satisfaisant aux normes environnementales (ATEX). Principaux éléments caractéristiques de l'invention [0023] Un premier objet de la présente invention se rapporte à un dispositif pour libérer automatiquement et de manière autonome une liaison mécanique par câble ou cordage entre deux éléments, dans une zone présentant des conditions d'atmosphère explosible, comprenant - un ensemble mécanique sous forme d'une enceinte dans laquelle passe le câble, la dite enceinte comprenant un sectionneur pyrotechnique, des moyens de positionnement du câble et des moyens de mesure de la tension du câble configurés pour que le câble exerce sur lesdits moyens de mesure une force radiale proportionnelle à la tension du câble ; - des moyens centraux de contrôle et de commande situés en dehors de la zone présentant des conditions d'atmosphère explosible et reliés audit ensemble mécanique, de préférence par une connexion filaire. [0024] Selon des modalités d'exécution particulières de l'invention, le dispositif précité 5 comprend en outre en combinaison une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : des moyens automatiques de déclenchement du sectionneur pyrotechnique, sur base uniquement de la mesure de la tension dans le câble, lorsqu'un seuil 10 prédéterminé de tension est atteint, de préférence 6000 daN ; l'enceinte comporte un orifice d'entrée et un orifice de sortie du câble, les deux orifices étant équipés de galets, de préférence en PTFE, configurés 15 pour limiter l'entrée d'air ou de gaz extérieur à l'intérieur de l'enceinte ; le sectionneur pyrotechnique est du type cisaille pyrotechnique et comprend un burin en alliage cuivre-béryllium (Cu-Be) ; 20 l'enceinte est subdivisée en une chambre centrale dans laquelle passe le câble et qui est munie des moyens de positionnement et de mesure de la tension dans le_câble et du sectionneur pyrotechnique, et de deux chambres latérales contiguës, la paroi séparant 25 la chambre centrale de chacune des chambres latérales étant munie d'une pluralité d'orifices de diamètre inférieur à 15 mm, initialement obstrués par des bouchons lors de la phase de mesure de tension de câble avant un éventuel déclenchement du 30 dispositif ; les moyens de mesure de la tension du câble comprennent une poulie centrale ainsi que deux poulies encadrant la poulie centrale, qui assurent un angle constant entre le câble et la poulie centrale en amont et en aval de ladite poulie centrale, et un système dynamométrique se trouvant à l'intérieur de l'axe de la poulie centrale ; le système dynamométrique comprend deux jauges de contraintes. [0025] Un second objet de la présente invention se rapporte à un système de sécurité pour bras de chargement/déchargement de navire transportant du combustible liquide ou gazeux, ledit bras étant équipé d'un système de liaison mécanique et de guidage par câble dudit bras, appelé plus simplement moyen de guidage par câble, en vue de sa connexion/déconnexion à un manifold dudit navire, ledit système comprenant un dispositif visé précédemment permettant de libérer automatiquement la liaison mécanique par câble précitée. [0026] Selon des modalités d'exécution particulières de l'invention, le système de sécurité précité comprend en outre en combinaison une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : - le moyen de guidage par câble comprend un treuil à tension constante situé à une extrémité où le câble est solidaire du bras ; - ledit treuil à tension constante est un treuil hydraulique ou électrique commandé via la mesure de 30 tension du câble ; ù ledit ensemble mécanique du dispositif pour libérer automatiquement la liaison mécanique par câble précitée est solidarisé sur une embase du bras ou sur le treuil à tension constante ; ù ledit ensemble mécanique est au même potentiel électrique que le treuil ou le navire. Brève description des figures [0027] La figure 1, déjà mentionnée, représente schématiquement un exemple de bras de chargement de gaz naturel liquéfié, installé sur une jetée pour charger et décharger un méthanier et équipé d'un moyen de guidage à câble. [0028] La figure 2 représente le même bras de chargement équipé du moyen de guidage à câble et muni du dispositif de sécurité selon la présente invention, composé d'un ensemble mécanique de mesure et de positionnement du sectionneur pyrotechnique, à poste sur le câble le long du bras de chargement de la figure 1 et d'une centrale d'acquisition et de contrôle située en dehors de la zone à risque explosif. [0029] Les figures 3A et 3B représentent des vues détaillées de la partie mécanique du dispositif de sécurité de la présente invention [0030] Les figures 4A et 4B représentent un exemple de forme d'exécution du sectionneur pyrotechnique utilisé selon l'invention, respectivement avant et après mise à feu dudit sectionneur. Description d'une forme d'exécution préférée de l'invention [0031] La présente invention propose un équipement de sécurité 11, 12, 13 comprenant un sectionneur pyrotechnique automatique équipé d'un élément de mesure de tension de câble positionné sur un bras de chargement du type à moyen de guidage à câble et de moyens pour couper celui-ci si la tension mesurée du câble dépasse un seuil critique prédéterminé pouvant conduire à l'endommagement du bras de chargement ou du navire transportant le combustible (figure 2). [0032] Selon le dispositif de l'invention, on effectue la mesure de la tension du câble en continu. Si la tension du câble dépasse donc une valeur prédéfinie (par exemple 6000 daN), le dispositif envoie l'ordre de découpe du câble. Cette découpe peut être réalisée avantageusement à l'aide soit d'un sectionneur pyrotechnique de câble, soit d'un découpeur pyrotechnique de câble, soit encore à l'aide d'un quelconque sectionneur hydraulique, électrique ou pneumatique. La mesure de tension du câble peut d'ailleurs avantageusement servir à commander le treuil électrique ou hydraulique du système de connexion par câble et en faire ainsi un treuil à tension constante. [0033] L'équipement de sécurité selon l'invention comprend non seulement un ensemble mécanique 11 de mesure et de positionnement du sectionneur pyrotechnique le long de chaque bras de chargement mais également une centrale d'acquisition, de contrôle et commande 12 située avantageusement en dehors de la zone potentiellement explosible (voir figure 2). La connexion entre l'ensemble mécanique 11 et la centrale de contrôle 12 est une connexion filaire 13. Des signaux peuvent être fournis au contrôleur (PLC) du bras de chargement, comme la force mesurée, le signal informant que le câble est sectionné, un signal de défaut général, la force mesurée via la pression du circuit hydraulique, etc. Toutefois, selon la présente invention, ces signaux sont fournis uniquement pour information. Le PLC du bras n'a aucun contrôle sur le déclenchement du coupe-câble. En d'autres termes, aucune information n'est transmise du PLC du bras vers le coupe-câble, à l'exception de la force mesurée pour référence uniquement. De plus, l'ensemble mécanique 11 sera avantageusement au même potentiel électrique que le treuil à tension constante 2. [0034] La figure 3A représente une coupe longitudinale du dispositif mécanique de l'invention installé à poste sur le câble 4. Ce dispositif comprend une chambre dans laquelle se trouvent respectivement des poulies 15A, 15B, 15C de guidage et de positionnement du câble, un axe dynamométrique 16 sous la forme de deux jauges de contrainte situées à l'intérieur de l'axe de la poulie, un guide du câble 17, des galets en PTFE 18, un sectionneur pyrotechnique 19 avec une enclume 20 et le volume de détente des gaz 21. La figure 3B est une vue en coupe transversale du même dispositif. Celui-ci est représenté avec son moyen d'attache 22 au bras de chargement. Principe de la mesure de tension du câble [0035] Dans le dispositif représenté sur les figures 3A et 3B, le câble 4 exerce sur la poulie centrale 15A une force proportionnelle à la tension du câble. Cette tension étant également fonction de la variation de l'angle du câble en amont et en aval de la poulie centrale, les deux poulies extrêmes 15B, 15C assurent un angle constant. Princi.e de la cisaille yrotechni.ue [0036] Le sectionneur pyrotechnique sera de préférence une cisaille pyrotechnique 19, 20 couramment utilisée pour couper des câbles dans l'industrie. On s'appuiera sur une cisaille pyrotechnique qui ne permettra pas au gaz chaud de s'échapper vers l'extérieur (voir figures 4A et 4B). La cisaille pyrotechnique sera par exemple constituée d'un corps cylindrique creux 23 et d'une enclume 20. La première extrémité du corps 23 contient la cartouche de poudre 24 et l'autre extrémité est en vis-à-vis du câble 4 à sectionner. Le corps cylindrique creux contient le burin 25 qui va sectionner le câble 4 lorsqu'il est projeté sur celui-ci par la déflagration. Après déflagration de la cartouche de poudre 24, le gaz chaud 27 est confiné dans le corps 23 de la cisaille, à l'arrière du burin 25 (figure 4B). Prise en compte de l'environnement (ATEX) [0037] Plusieurs barrières ont été prévues dans le dispositif de l'invention pour éviter que le dispositif ne communique une déflagration au milieu extérieur en cas de découpe pyrotechnique du câble (voir figures 3A et 3B) afin d'empêcher le mélange gazeux explosible (air/méthane ou autre) de s'introduire à l'intérieur du dispositif, les ouvertures sur l'extérieur sont réduites à l'aide de galets en PTFE 18. Ainsi, seulement un minimum de mélange gazeux peut s'introduire à l'intérieur du dispositif. La taille des orifices de passage du câble est avantageusement adaptée au type de mélange gazeux ; afin d'éviter l'inflammation du mélange gazeux explosible si celui-ci arrivait quand même à se trouver en concentration non négligeable à l'intérieur du dispositif, le burin du sectionneur pyrotechnique est choisi dans un alliage de cuivre spécial (CuBe2). Cet alliage spécifique permet d'éviter tout risque d'étincelles à l'intérieur du dispositif lors de l'impact du burin sur un élément métallique. Ceci empêche donc l'inflammation du gaz qui pourrait s'y trouver ; enfin, pour empêcher de transmettre au milieu extérieur la déflagration générée si du gaz présent à l'intérieur venait à s'enflammer, il est prévu que la faible surface d'échange avec l'extérieur empêche la propagation de la déflagration. Pour ce faire, on utilise comme barrière anti-flamme (cf. lampe de mineur de Davy, 1817) une plaque à trous avec des trous tels que 2R/aL Différence significative avec l'application pour bateau de pêche (demande FR-A-0 650 587) [0040] La présence de l'atmosphère explosible est la première des différences notables, d'où la mise en place des différentes barrières antidéflagrantes susmentionnées. [0041] La mesure de tension de câble s'effectue à l'aide de trois poulies et non de deux, ce qui permet à la poulie centrale de recevoir une force radiale proportionnelle à la tension du câble. [0042] Le capteur de tension est un ensemble de deux jauges de contraintes placées à l'intérieur de l'axe de la poulie centrale. [0043] Le sectionneur pyrotechnique est différent à cause de la nature de l'environnement. [0044] Les modes d'alerte sont différents puisque les informations ne sont pas visibles par les hommes présents en cabine de contrôle, la découpe se faisant automatiquement au-delà d'un certain seuil de tension. REVENDICATIONS1. Dispositif pour libérer automatiquement et de manière autonome une liaison mécanique par câble ou cordage (4) entre deux éléments, 5 dans une zone présentant des conditions d'atmosphère explosible, comprenant : - un ensemble mécanique (11) sous forme d'une enceinte (21) dans laquelle passe le câble (4), la dite enceinte (21) comprenant un sectionneur 10 pyrotechnique (19, 20), des moyens de positionnement (15A, 15B, 15C) du câble (4) et des moyens de mesure (16) de la tension du câble (4) configurés pour que le câble (4) exerce sur lesdits moyens de mesure (16) une force radiale proportionnelle à la tension 15 du câble (4) ; - des moyens centraux de contrôle et de commande (12) situés en dehors de la zone présentant des conditions d'atmosphère explosible et reliés audit ensemble mécanique (11), de préférence par une 20 connexion filaire (13). 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens automatiques de déclenchement du sectionneur pyrotechnique (19, 20), sur base uniquement de la 25 mesure de la tension dans le câble (4), lorsqu'un seuil prédéterminé de tension est atteint, de préférence 6000 daN. 3. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'enceinte (21) comporte un 30 orifice d'entrée et un orifice de sortie du câble (4), les deux orifices étant équipés de galets (18), de préférence en PTFE, configurés pour limiter l'entréed'air ou de gaz extérieur à l'intérieur de l'enceinte (21). 4. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le sectionneur pyrotechnique (19, 20) est du type cisaille pyrotechnique et comprend un burin (25) en alliage cuivre-béryllium (Cu-Be). 5. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'enceinte (21) est subdivisée en une chambre centrale dans laquelle passe le câble (4) et qui est munie des moyens de positionnement et de mesure de la tension (15A, 15B, 15C, 16) dans le câble (4) et du sectionneur pyrotechnique (19, 20), et de deux chambres latérales contiguës, la paroi séparant la chambre centrale de chacune des chambres latérales étant munie d'une pluralité d'orifices (26) de diamètre inférieur à 15 mm, initialement obstrués par des bouchons lors de la phase de mesure de tension de câble avant un éventuel déclenchement du dispositif. 6. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de mesure de la tension du câble (4) comprennent une poulie centrale (15A) ainsi que deux poulies (15B, 15C) encadrant la poulie centrale, qui assurent un angle constant entre le câble (4) et la poulie centrale (15A) en amont et en aval de ladite poulie centrale (15A), et un système dynamométrique (16) se trouvant à l'intérieur de l'axe de la poulie centrale (15A). 7. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que le système dynamométrique 30 comprend deux jauges de contraintes. 8. Système de sécurité pour bras de chargement/déchargement (1) de navire transportant ducombustible liquide ou gazeux, ledit bras étant équipé d'un système de liaison mécanique et de guidage par câble (4) dudit bras (1), appelé plus simplement moyen de guidage par câble, en vue de sa connexion/déconnexion à un manifold (9) dudit navire, ledit système comprenant un dispositif pour libérer automatiquement la liaison mécanique par câble précitée, selon l'une quelconque des revendications précédentes. 9. Système de sécurité selon la revendication 8, caractérisé en ce que le moyen de guidage par câble comprend un treuil à tension constante (2) situé à une extrémité où le câble (4) est solidaire du bras (1). 10. Système de sécurité selon la revendication 9, caractérisé en ce que ledit treuil à tension constante (2) est un treuil hydraulique ou électrique commandé via la mesure de tension du câble (4). 20 11. Système de sécurité selon la revendication 8, caractérisé en ce que ledit ensemble mécanique (11) du dispositif pour libérer automatiquement la liaison mécanique par câble précitée est solidarisé sur une embase (10) du bras (1) ou sur 25 le treuil à tension constante (2). 12. Système de sécurité selon la revendication 11, caractérisé en ce que ledit ensemble mécanique (11) est au même potentiel électrique que le treuil (2) ou le navire. 15 30