Qu’est-ce qu’un tuyau flottant marin ? Construction, types, normes et sélection

Un tuyau flottant marin est un tuyau flexible et flottant qui transporte des liquides ou des boues à la surface de l'eau. Il est utilisé lorsque les canalisations fixes ne peuvent pas suivre les mouvements d'un navire, le plus souvent transfert de pétrole brut Lors des opérations d'amarrage en mer et de rejet de boues de dragage, le choix d'un flexible adapté dépend du fluide, de la configuration d'amarrage ou de rejet, et de la flottabilité de réserve requise à cet emplacement dans la colonne de transfert. Cette flottabilité est assurée soit par une mousse à cellules fermées intégrée à la paroi du flexible, soit par des flotteurs externes fixés sur un flexible standard. Le choix des spécifications appropriées est moins déterminé par le flexible lui-même que par son emplacement dans la colonne de transfert et les contraintes auxquelles il est soumis.

Définition et principales applications des tuyaux flottants

Un tuyau flottant marin est un tuyau renforcé d'élastomère conçu pour rester à la surface de l'eau tout en transportant un fluide. Ce qui le distingue des autres tuyaux marins, c'est son fluide de flottaison, et non son diamètre ou sa classe de pression. Les différences entre les modèles résident dans le système de flottaison et le mode de fixation du tuyau. Ces deux éléments déterminent sa visibilité, sa résistance aux chocs avec les hélices et son comportement sous l'effet des vagues.

Deux applications dominent la recherche pour ce terme et orientent la spécification dans des directions opposées. Dans le secteur pétrolier et gazier offshore, les flexibles flottants transfèrent le pétrole brut et les produits raffinés entre les pétroliers, les bouées et les unités FPSO. systèmes d'amarrage Ces tuyaux, tels que les SPM, les CALM et les CBM, servent au dragage. Ils transportent une boue de sable, de limon et de gravier de la drague jusqu'à un point de déchargement. Leur utilisation pour le transport d'hydrocarbures est régie par les normes relatives aux tuyaux en caoutchouc et à l'étanchéité ; leur utilisation pour le dragage est quant à elle déterminée par la résistance à l'abrasion et la vitesse de la boue. Il est essentiel de choisir le bon usage, car un tuyau conçu pour l'un ne convient pas forcément à l'autre.

Les tuyaux flottants restent visibles en surface, ce qui permet aux opérateurs de navires de les éviter et de prévenir tout contact avec l'hélice. Cette visibilité est essentielle à la sécurité, et non purement esthétique. Elle ne les rend cependant pas invulnérables aux chocs : les coupures d'hélice demeurent l'une des causes avérées de dommages aux tuyaux de surface. C'est précisément pourquoi le tuyau est flottant, coloré et maintenu à distance du navire plutôt que laissé à flot.

Trois façons distinctes de classer un tuyau flottant

Les flexibles flottants sont classés selon trois axes indépendants : le mode de flottaison, la conception du système de confinement et leur position dans la conduite. Les considérer comme une seule et même catégorie constitue l’erreur de spécification la plus fréquente. Le mode de flottaison et la conception de l’enveloppe sont des choix distincts. L’un détermine la flottaison du flexible, l’autre la manière dont une fuite est contenue, et aucun n’influence l’autre.

Méthode de flottabilité Le premier axe est la structure. Un tuyau flottant peut utiliser un matériau de flottaison à cellules fermées intégré au corps du tuyau, ou, dans certaines applications, des flotteurs externes distincts fixés sur un tuyau standard. La mousse intégrée est collée au corps et à la gaine du tuyau. Des flotteurs à collier peuvent être ajoutés ou retirés en fonction de l'évolution du projet. Les deux types de tuyaux présentent des défaillances différentes et nécessitent donc une inspection distincte. Les flotteurs à collier ajoutent des points de fixation mécaniques susceptibles de se desserrer, de s'user par frottement ou de se déplacer le long du tuyau. Une paroi en mousse intégrée ne comporte pas de telles fixations, mais une fois sa gaine extérieure percée, elle peut absorber des infiltrations d'eau locales difficiles à colmater sur place. Étant donné que la flottabilité est soit boulonnée, soit intégrée, il n'existe pas de solution universellement “ meilleure ”. Le choix dépend de la personne chargée de l'inspection et de la fréquence des contrôles.

Construction de confinement Le second axe est la flottabilité, et il est indépendant de celle-ci. Un tuyau à simple enveloppe possède une seule couche de confinement. Un tuyau à double enveloppe comporte une seconde enveloppe séparée par un volume contrôlé. La conception à double enveloppe vise à contenir les fuites, et non à assurer la flottabilité. En cas de fuite lente ou de rupture soudaine de l'enveloppe principale, l'enveloppe secondaire retient le fluide qui s'échappe, et un dispositif de détection de fuite ou d'alerte de défaillance avertit l'opérateur. La flottabilité d'un tuyau à double enveloppe peut être assurée par de la mousse intégrée ou par des flotteurs ; le choix du système de confinement n'influence donc pas celui de la flottabilité.

Position dans la chaîne Le troisième axe détermine la forme et la fonction du tuyau, et non son matériau. Les sections de conduite principale, de queue, de rail de citerne et de première bouée sont toutes des tuyaux flottants. Cependant, chacune possède des spécifications de renforcement et de flottabilité différentes, car elle se situe à un endroit différent du trajet de transfert. La section suivante décrit ces positions.

Comment est agencé un tuyau d'arrosage flottant

Un tuyau flottant est rarement utilisé seul. Il fait partie d'un ensemble de tuyaux, et chaque section a une forme et une fonction spécifiques. Ainsi, une commande pour un “ tuyau flottant ” correspond généralement à une commande de plusieurs tuyaux différents, assemblés en série. Se tromper de section pour un emplacement donné constitue une erreur de spécification, même si chaque tuyau pris individuellement est en bon état.

Une chaîne offshore complète s'étend généralement du pétrolier vers l'extérieur à travers des sections dont les noms se répètent dans l'ensemble du secteur :

• tuyau de wagon-citerne — est suspendu au bastingage du pétrolier et se raccorde au collecteur du navire, fléchissant sous son propre poids pour se courber près du collecteur ; il s'agit en fait de l'articulation entre le navire et la conduite flottante.
• tuyau d'échappement — une section très flexible qui s'adapte aux mouvements de la bouée ou du collecteur, souvent la première connexion à partir d'un bouée d'amarrage.
• Tuyau réducteur — relie deux tuyaux de diamètres différents à l'endroit où le diamètre change ; n'est pas toujours présent dans une série.
• Tuyau principal — le principal conduit flottant constituant l'essentiel de la ligne de surface.
• Première bouée de départ / tuyau renforcé à une extrémité — comporte un renfort supplémentaire concentré à l'extrémité de connexion, utilisé aux points de connexion des bouées ou des FPSO.

Il convient d'examiner de plus près la section renforcée. Le renfort se situe à l'extrémité qui se fixe à la bouée ou au collecteur, car c'est à ce point de connexion que se concentrent le moment de flexion et la charge axiale. Le renforcement de cette extrémité permet de gérer les contraintes qui, autrement, s'y accumuleraient. Renforcer un tuyau uniformément sur toute sa longueur ajouterait de la rigidité là où elle n'est pas nécessaire, alors que la contrainte maximale se situe toujours au niveau du joint. C'est pourquoi le renfort est placé de manière asymétrique.

Les conduites de dragage sont plus simples, mais plus exposées à l'abrasion, car elles transportent des matières solides et non du pétrole. Les flexibles flottants de dragage sont dotés d'un revêtement intérieur résistant à l'abrasion pour supporter les mouvements rapides du sable et du gravier. Leur flottabilité les maintient à distance du fond marin, évitant ainsi leur usure par frottement.

Flottabilité de réserve : que signifie réellement “ 20% ” ?

La flottabilité de réserve décrit la flottabilité résiduelle d'un tuyau lorsqu'il est rempli, exprimée en marge par rapport à son poids une fois rempli. La valeur requise dépend de la position du tuyau dans la conduite et n'est pas une valeur universelle. Un tuyau qui flotte à vide peut s'affaisser lorsqu'il est rempli d'un fluide dense ; c'est pourquoi la flottabilité est spécifiée comme une marge en condition d'immersion, et non comme une propriété binaire (oui/non).

Selon la norme GMPHOM 2009, les flexibles d'amarrage offshore entièrement flottants présentent une flottabilité minimale de réserve, généralement de 20% en condition immergée. Le matériau de flottabilité est réparti sur toute la longueur du flexible, assurant ainsi une flottabilité uniforme en ligne. Cette valeur de réserve inclut le poids de tous les accessoires fixés au flexible, tels que les brides et les raccords, et non celui du flexible seul. Les flexibles partiellement flottants utilisés pour les connexions aux bouées sont traités différemment. La norme ne fixe pas de pourcentage universel pour ces derniers. La flottabilité est déterminée en fonction des critères spécifiques du site et définie par l'acheteur ; elle est généralement appliquée sur une partie de la longueur du flexible, sauf accord contraire. Des valeurs faibles, telles que 5%, peuvent apparaître sur certaines fiches techniques de produits. Toutefois, elles ne doivent être mentionnées que si la fiche technique ou le cahier des charges correspondant les justifie ; elles ne doivent jamais être considérées comme une valeur par défaut.

La flottabilité de réserve est une marge par rapport au poids en charge. Ainsi, une charge plus lourde et un diamètre plus important réduisent cette marge. Un tuyau flottant confortablement avec un produit raffiné léger peut atteindre sa limite avec du pétrole brut à haute densité, à diamètre égal. C'est pourquoi un pourcentage de flottabilité ne peut être interprété indépendamment du fluide transporté. Une simple valeur sur une fiche technique ne renseigne pas sur la marge sous charge.

Tuyau flottant vs tuyau sous-marin

Un tuyau flottant reste à la surface de l'eau, tandis qu'un tuyau sous-marin est conçu pour être immergé vers le fond marin. Confondre les deux conduit inévitablement à un tuyau inutilisable. La différence influe sur la conception de la flottabilité, le renforcement et la position du tuyau dans le système d'amarrage. Il ne s'agit pas d'une simple variante.

Les flexibles flottants relient les équipements de surface : un pétrolier à une bouée, le collecteur de la bouée à un pétrolier navette, ou une drague à son point de déchargement. Les flexibles sous-marins descendent de la bouée vers le collecteur d'extrémité de la conduite sous-marine (PLEM), acheminant le fluide jusqu'à la conduite sous-marine fixe. Ils sont conçus pour résister à la pression et à l'abrasion externes, et non pour être visibles en surface. Les conduites sous-marines ne reposent pas toujours à plat sur le fond. Selon la profondeur et la dynamique de l'eau, elles peuvent être suspendues entre la bouée et le fond marin. Cependant, leur configuration détaillée, leur ballastage et leur installation font l'objet d'une spécification spécifique et ne sont pas interchangeables avec le choix des flexibles flottants de surface.

Dans une installation CALM typique, les deux types de flexibles fonctionnent au sein du même système : les flexibles sous-marins relient le PLEM à la bouée, et les flexibles flottants relient la bouée au pétrolier. La nécessité des sections sous-marines dépend de l’architecture complète du système de transfert, et non du seul flexible flottant. De navire à navire Certaines installations de dragage peuvent fonctionner uniquement avec un flexible flottant en surface ; ce qui est généralement impossible pour un terminal offshore amarré. Un flexible flottant se justifie par rapport à une tuyauterie rigide lorsque la pose d'une conduite fixe est impraticable ou non rentable et que la ligne doit suivre les mouvements du navire. Complexifier inutilement le système de flexibles représente un coût sans retour sur investissement.

Quelles normes s'appliquent ?

Les normes ci-dessous s'appliquent aux systèmes de flexibles pour hydrocarbures en mer. Les flexibles de dragage flottants sont spécifiés par un processus distinct basé sur l'abrasion et le traitement par boues, et non par les documents relatifs aux flexibles pour hydrocarbures. Pour les services d'amarrage en mer, trois normes s'appliquent, chacune ayant un champ d'application spécifique. La norme à citer dépend de la nature du flexible.

OCIMF GMPHOM 2009 Ce guide fait office de référence pour l'achat et la qualification des flexibles d'aspiration et de refoulement d'huile renforcés d'élastomère utilisés sur les plateformes d'amarrage offshore. Il s'agit du Guide de l'Oil Companies International Marine Forum (OCIMF) relatif à la fabrication et à l'achat de flexibles pour plateformes d'amarrage offshore, dont la 5e édition est désormais disponible. Ce guide normalise les procédures de fabrication, de test et d'achat de ces flexibles. L'OCIMF émet toutefois une mise en garde : elle n'est pas responsable du marquage “ GMPHOM 2009 ” sur les flexibles. Il est donc conseillé à l'acheteur de mener des vérifications approfondies afin de s'assurer que les spécifications du flexible correspondent bien à celles annoncées, et de ne pas se fier uniquement à ce marquage.

EN 1765:2016 Ce document spécifie quatre types de flexibles d'aspiration et de refoulement d'huile en caoutchouc pour les produits pétroliers, y compris les pétroles bruts, avec une teneur maximale en aromatiques de 50% en volume. Il couvre des diamètres nominaux de 50 à 500 mm et une plage de températures de service de −20 °C à 82 °C. Il n'est pas destiné au GPL ni au gaz naturel. Il constitue une référence européenne courante pour les flexibles d'huile portuaires et maritimes.

Spécification API 17K, La spécification relative aux conduites flexibles collées couvre les assemblages de conduites flexibles collées avec raccords aux deux extrémités. Elle s'applique aux conduites d'écoulement, aux colonnes montantes, aux flexibles de raccordement et aux flexibles de chargement et de déchargement offshore. Elle ne couvre pas les conduites flexibles non collées. Elle n'est pas non plus en concurrence avec le GMPHOM : la norme API 17K indique que les exigences supplémentaires relatives aux flexibles de chargement et de déchargement se trouvent dans le GMPHOM, à condition qu'elles ne contredisent pas l'API 17K. Par conséquent, pour un flexible de déchargement collé de qualité industrielle, les deux normes doivent être consultées conjointement. L'API 17K régit les exigences relatives aux conduites collées, tandis que le GMPHOM fournit les spécifications relatives aux flexibles d'amarrage.

Lorsqu'un projet mentionne un rayon de courbure minimal, cette valeur est spécifique à la conception du flexible et doit figurer sur la fiche technique du fabricant agréé ou dans le cahier des charges du projet. Des valeurs telles que six fois le diamètre nominal (6D) apparaissent sur certains modèles de flexibles offshore, mais elles ne constituent pas une exigence universelle du GMPHOM.

Qualification du prototype vs tests d'acceptation en production

Les tests de tuyauterie selon la norme GMPHOM se divisent en deux catégories aux objectifs différents, et leur confusion induit l'acheteur en erreur quant aux tests réellement subis par chaque tuyau livré. Les tests d'acceptation de production sont appliqués aux tuyaux achetés. Les tests de qualification de prototype sont appliqués à la conception d'un tuyau, afin de valider son type, et non à chaque unité expédiée.

Les tests de réception des flexibles achetés en production s'appuient sur une série de tests définis : adhérence, poids, rayon de courbure minimal, pression hydrostatique, étanchéité au vide, continuité électrique et tests de flottaison, entre autres. Certains tests supplémentaires, comme la torsion, le test au kérosène ou la traction, ne sont effectués que si l'acheteur les spécifie. Ainsi, la mention “ testé selon la norme GMPHOM 2009 ” n'a de sens que si les tests appliqués sont clairement indiqués, car les options modifient les éléments réellement vérifiés.

La qualification de prototype est un processus distinct et plus exigeant, appliqué à la conception. Les essais dynamiques, tels que les tests de flexion, de traction et de torsion, font partie intégrante de la qualification d'un type de tuyau et ne constituent pas un test de routine pour chaque tuyau livré. Un acheteur ne doit pas considérer un test de qualification de conception comme une procédure appliquée à chaque unité commandée, ni supposer que la réception standard couvre l'intégralité du programme de prototypage. Si un fournisseur est incapable de préciser la catégorie à laquelle appartient un test proposé, il est essentiel de clarifier ce point avant de passer commande.

La continuité électrique mérite une attention particulière, car elle peut être spécifiée de deux manières. Un flexible flottant peut être électriquement continu ou discontinu selon le schéma de mise à la terre et de liaison équipotentielle du projet. Il s'agit d'une décision relative au projet, et non d'une caractéristique fixe ; elle doit donc être définie dans le cadre du dispositif de mise à la terre global plutôt que d'être présumée.

Comment spécifier un tuyau flottant

Le choix d'un tuyau flottant repose sur la résolution des problèmes dans le bon ordre. Les premières décisions sont généralement irréversibles ; les suivantes peuvent être ajustées une fois les premières prises. Le premier paramètre déterminant est le fluide et ses conditions d'écoulement. Le type de fluide, le débit, la pression et les caractéristiques des particules en suspension influent sur le diamètre intérieur, le revêtement, le renforcement, la marge de flottabilité et la norme applicable.

Vérifiez la première couche avant toute autre chose — la conditions d'écoulement et de fluide:

• Composition du fluide, densité, viscosité et teneur en composés aromatiques ou chimiques
• Pour les suspensions : granulométrie, concentration et abrasivité
• Débit de transfert requis et vitesse d'écoulement admissible
• Pression de service nominale, pression de surpression et toute condition de vide
• Température minimale et maximale du fluide et de l'environnement

Il s'agit là de paramètres de conception largement irréversibles. Un revêtement et un alésage choisis pour du pétrole brut à un débit donné ne peuvent pas être simplement réadaptés ultérieurement pour un produit chimique agressif ou une boue à vitesse plus élevée.

Ensuite, fixez la deuxième couche — la position et environnement du système. Cela concerne la configuration d'amarrage ou de déchargement (SPM, CALM, CBM, transbordement navire-navire ou déchargement de dragage), la position du flexible dans la conduite, les mouvements du navire, la profondeur de l'eau, les vagues, le courant et le poids des équipements auxiliaires contribuant à la flottabilité. La position détermine la section nécessaire (rail du pétrolier, queue, conduite principale ou première bouée) et la valeur de flottabilité de réserve à acquérir.

Le diamètre, la longueur, la construction de la carcasse, le revêtement, le renforcement, la flottabilité de réserve, le rayon de courbure minimal, la classe de bride et la configuration électrique constituent les paramètres de sortie de la troisième couche. Le diamètre n'est pas un choix arbitraire effectué en dernier. Il découle du débit, de la vitesse admissible et des pertes de charge de la première couche, mais il est fixé une fois ces paramètres amont déterminés. Il est essentiel d'éviter de spécifier d'abord le diamètre et le prix. Si les décisions relatives à la résistance au roulement sont prises en dernier, la conduite ainsi obtenue est celle qui risque le plus de nécessiter un contrôle ou un remplacement prématuré.

Un dernier point important concernant la portée des travaux : pour un transfert court et abrité où une ligne fixe ou un simple tuyau d'amarrage suffirait, une ligne d'amarrage flottante complète est superflue. La conception flottante se justifie par sa complexité en haute mer, par mer agitée et dans les zones d'amarrage où un tuyau rigide ne peut suivre le navire. Adapter la complexité du tuyau aux spécificités du site fait partie intégrante d'une spécification correcte.

Limites d'inspection, de stockage et de réparation

La durée de vie des flexibles flottants dépend de leur état plutôt que d'une durée fixe, et elle est vérifiée par inspection. Les facteurs déterminants sont l'exposition, la charge transportée, la manutention et l'état de la mer. Des contrôles visuels et des tests de pression réguliers permettent d'établir leur durée de vie restante, car deux flexibles du même âge peuvent présenter des états très différents selon leur niveau d'utilisation.

Le stockage avant installation influe sur la durée de vie initiale d'un tuyau. Les facteurs déterminants sont la lumière du soleil, la température et les contraintes physiques. Il est préférable de stocker les tuyaux à l'intérieur, dans un endroit sec, frais et ventilé. Si le stockage à l'extérieur est inévitable, il convient de les protéger de l'exposition directe et prolongée au soleil et de les enrouler pour éviter les coudes brusques. La durée de stockage et les vérifications préalables à l'installation doivent être conformes aux instructions du fabricant et au plan de gestion des tuyaux du projet, et non à une limite de temps générique.

Les limites de la réparation dépendent de la nature des dommages : restent-ils confinés à la gaine ou atteignent-ils les couches structurelles ? Les dommages non structurels à la gaine, une fois évalués, peuvent parfois être réparés selon une procédure approuvée, mais seulement après vérification de l’intégrité du renfort, de la carcasse, des raccords, de la structure de flottaison et de tout système de détection de fuites. Les dommages atteignant ces éléments nécessitent la mise hors service et un examen par le fabricant ou une autre autorité compétente. La réparation de la gaine extérieure ne suffit pas, à elle seule, à rétablir l’état certifié d’origine du tuyau.

Par où commencer pour choisir un tuyau flottant

Le choix d'un flexible flottant repose avant tout sur deux points essentiels : le fluide transporté et sa position dans la colonne de transfert. Le diamètre, la longueur et les raccords découlent du fluide, des conditions d'écoulement et de la position. La flottabilité de réserve et le matériau de la gaine sont des conséquences de ces paramètres, et non des choix indépendants. L'erreur fréquente consiste à privilégier le diamètre et le prix, reléguant ainsi les variables de charge au second plan.

En tant que fournisseur d'équipements maritimes, notre rôle à ce stade est de vérifier la conformité des spécifications avec la configuration d'amarrage ou de dragage, plutôt que de proposer un diamètre standard. Le fluide, l'état de la mer et la position d'amarrage déterminent la section et la flottabilité appropriées. Plusieurs de ces paramètres nécessitent une vérification au niveau du projet, par rapport aux exigences du concepteur du système de flexibles, et non une valeur par défaut du catalogue. Concernant les composants d'amarrage et de déchargement auxquels un flexible flottant est raccordé, notre Équipements marins La zone de couverture englobe l'équipement adjacent du côté terminal.

Pour passer de la lecture à une véritable citation, il est utile de préparer les éléments suivants :

• Type fluide, la densité, la viscosité et la teneur en composés aromatiques ou chimiques
• Solides (pour les suspensions) : granulométrie, concentration, abrasivité
• Couler: débit de transfert requis et vitesse admissible
• Pression: pression de service nominale, surpression, état de vide
• Température: fluides et ambiants minimum et maximum
• Position et système du tuyau: ligne principale, rail de pétrolier, queue, première bouée de débarquement ; SPM, CALM, CBM, STS ou dragage
• Environnement: profondeur de l'eau, vagues, courants et mouvements du navire
• flottabilité de réserve exigence, y compris le poids du matériel attaché
• continuité électrique préférence (continue ou discontinue)
• Norme de référence: GMPHOM 2009, EN 1765:2016, API 17K ou spécifications du projet

Ces informations en main, la spécification n'est plus une question de conjectures. Il s'agit alors d'adapter les conditions connues à la section de tuyau et à la capacité nominale appropriées.

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