warnier w 2000

Moyens d’essais pour la simulation de l’environnement
marin profond
Testing facilities for deep marine environment simulation
Philippe Warnier
Ifremer - Brest
Résumé
Pour l’étude des variations des caractéristiques physiques des matériaux ou matériels utilisés en mer par grande profondeur ou pouvant par
accidents être confrontés aux fortes pressions, il est nécessaire de simuler cet environnement particulier en caisson haute pression et de
reconstituer les effets de certains des paramètres physico-chimiques de l’eau de mer.
Ce papier donne quelques exemples des types d’essais réalisés, des moyens d’essais et de mesures mis en œuvre pour parvenir à
apporter des réponses aux problèmes particuliers posés par les scientifiques ou les industriels du domaine d’activité.
Abstract
For the study of physical characteristics variations of materials or equipment used in deep marine sea or equipment facing to high pressure
accidentally, it is useful and necessary to simulate this special environment in high pressure tanks and to create effects of some physical
parameters of sea water.
This paper submits some examples of hyperbaric tests performed, testing facilities and measurement systems used to attempt and provide
replies to special problems that scientists and manufacturers need to solve.
1.
INTRODUCTION
La conduite des études relatives au milieu marin profond et la qualification des matériels à cet environnement nécessitent
des moyens de simulation spécifiques -des caissons d’essais hyperbares- dans lesquels il est possible de reconstituer un
environnement marin par grande profondeur.
Les paramètres influents comme la pression, la température mais aussi la salinité, l’oxygène dissous, le pH peuvent ainsi
être régulés pour tenter de connaître leur influence respective sur le comportement de certains matériaux ou matériels.
Les scientifiques ou les industriels du domaine marin n’envisagent plus d’utiliser leurs matériels in situ sans tests préalables
en simulation, car l’utilisation des navires représente un coût très élevé.
L’étude de la fragilisation des aciers à haute limite élastique, de la corrosion bactérienne, du comportement des mousses de
flottabilité et matériaux d’isolation thermique, de l’évolution de la densité des fuels lourds s’échappant des épaves ou de la
tenue à la pression hydrostatique des enceintes de confinement des produits nucléaires et des AUV (Autonomous
Underwater Vehicle) en matériaux composites, sont autant de sujets qui peuvent être traités et simulés pour tenter
d’apporter des réponses aux besoins des utilisateurs finaux.
Un grand projet scientifique international comme le télescope sous-marin détecteur de Neutrino ANTARES (immergé à
2500 m), utilisant des technologies très diverses, a nécessité de nombreux tests en caisson hyperbare avant la phase de
déploiement en mer des lignes de détecteurs.
2.
2.1.
MOYENS D’ESSAIS
Les caissons hyperbares
Cette dénomination, rencontrée dans des secteurs d’activités aussi différents que dans la plongée humaine ou
l’agroalimentaire, ne couvre pas les mêmes étendues de pression dans l’environnement marin profond.
Quelques rappels concernant les océans pour situer les besoins de simulation :
•
Les grands fonds : relativement réguliers, d'une profondeur comprise entre 3000 et 6000 m, ils représentent
76% de la surface des océans.
•
Evolution de la température en profondeur :
On met en évidence trois couches différentes dans l’océan :
La couche de surface (ou couche de mélange) de 50 à 200 m d’épaisseur où les températures sont à peu
près celle de la surface,
La couche thermocline de 200 à 1000 m d’épaisseur, dans laquelle la température décroît rapidement en
fonction de la profondeur (sauf aux grandes latitudes où la température de surface est voisine de celle du
fond),
La zone profonde, qui s’étend jusqu’au fond, caractérisée par des températures faibles et homogènes
(6000 m/2 °C).
Astelab 2003
19 -
1
Moyens d’essais pour la simulation de l’environnement marin profond
Pour simuler ces profondeurs océaniques où les paramètres pression et température sont prépondérants, les caissons hautes
pressions trouvent toute leur place. Aussi, compte tenu des coefficients de sécurité appliqués pendant les tests de
simulation, les caissons hautes pressions mis en œuvre pour l’environnement marin profond permettent d’atteindre des
valeurs de 240 MPa ; la gamme de régulation de température associée à chaque moyen varie mais couvre une étendue de
mesure de +2 °C à +100 °C. Les volumes mis en œuvre vont de quelques dizaines de litres à 2 m3 .
Remplis d’eau douce ou pour certains d’eau de mer, ces caissons sont pressurisés en utilisant des pompes à pistons
multiplicateurs de surface ou des sur-presseurs à vérins aiguilles ; un contrôle-commande équipé d’un système de
supervision permet de dérouler des scénarios d’essais et d’appliquer des vitesses de pénétration dans l’eau variables suivant
l’objectif recherché.
Les bouchons de ces caissons sont équipés de connectiques électriques, hydrauliques et optiques pour mettre en
communication les matériels pressurisés avec l’extérieur, les alimenter ou collecter des données.
Caisson 1000 bar
Caisson 2400 bar
La conversion de la profondeur (m) en pression (bar) s’effectue en utilisant cette équation généralement admise :
−6
2
Pr ession( bar) = 0,101 × Pr ofondeur( m ) + 0, 5 × 10
× [Pr ofondeur( m )]
2.2.
Les moyens de mesures associés
Il n’est pas question de décrire en détails tous les moyens de mesure ou d’instrumentation mis en œuvre dans les caissons
hyperbares car ils sont très variés. On peut cependant en citer quelques-uns :
•
mesure de l’affaiblissement de la transmission d’un signal sur une fibre optique,
•
étude de l’évaluation du risque de rupture fragile (par pénétration de l’hydrogène) des alliages métalliques
protégés cathodiquement,
•
mesure de la flottabilité d’un matériau en mousse syntactique ou de sa compressibilité sous pression
hydrostatique,
•
mesure de la variation de densité d’un fuel lourd contenu dans un navire échoué par grand fond,
•
mesure des déformations axiales et circonférentielles sur des enceintes métalliques ou en matériau composite
(enroulés filamentaires),
•
mesures de fluage et relaxation sur les matériaux fabriqués en enroulés filamentaires,
•
détermination de la pression d’endommagement par pénétration d’eau d’enceintes de confinement de déchets
nucléaires transportés par bateau,
•
mesure de couple sur moteurs brushless en équipression,
•
écoute acoustique pour détermination du début de rupture des filaments d’un conteneur en fibre de carbone,
•
mesure de la célérité d’un signal dans l’eau en fonction de la pression et de la température,
•
mesure du potentiel cathodique sur une structure immergée,
•
etc.,
et décrire deux systèmes utilisés pour des applications diverses.
Astelab 2003
19 -
2
Moyens d’essais pour la simulation de l’environnement marin profond
2.2.1. Balance pour pesée sous pression
Une balance, développée spécialement pour des mesures de pesée jusqu’à des pressions de 1000 bar (100 MPa) et d’une
étendue de mesure de ± 5 N, utilise une technologie qui permet d’obtenir un écart de non linéarité et d’hystérésis <± 0,3 %
de l’étendue de mesure. Ce type de capteur, dont la partie sensible est basée sur l’intégration de jauges de contrainte à
trame métallique, est conçu pour résister également à des températures de 100 °C.
Des tests préalables sont nécessaires pour connaître la dérive de la balance en fonction de la pression et de la température.
Balance 5 N
Ce type d’instrument trouve ses applications dans les domaines de l’océanographie, de l’offshore pétrolier, de la pêche
hauturière ou tout autre domaine où la connaissance de la compressibilité d’un solide ou d’un liquide et son changement de
flottabilité sont un critère important pour son utilisation par grand fond.
2.2.2. Système d’acquisition immergé
Un système de multiplexage de jauges de contraintes, pour la mesure des déformations de structures soumises aux fortes
pressions triaxiales, est positionné à proximité de l’enceinte à surveiller et permet de suivre en temps réel les déformations
subies par cette structure jusqu’à l’implosion. Le nombre très limité de traversées électriques sur les caissons contraint à
intégrer les systèmes de mesures à grand nombre de jauges à l’intérieur.
Ce moyen de mesure est utilisé pour acquérir ou conforter des connaissances sur les valeurs des déformations atteintes sur
une enceinte et enrichir les bases de données existantes pour le calcul de structures ; on effectue également des mesures sur
des pièces dont la complexité des formes ne permet pas d’utiliser un modèle mathématique assez fiable, notamment sur les
tapes cylindriques des conteneurs comprenant un nombre important de traversées électriques ou hydrauliques et sur les
sonars dont les transducteurs acoustiques ont bien souvent des formes très complexes.
Acquisition sur un tube de flotteur
3. LES ESSAIS SUR LES FUELS LOURDS
Suite aux naufrages successifs de pétroliers transportant des fuels lourds aux larges des côtes européennes et de la
possibilité d’échouage par grand fond, il a été nécessaire d’entreprendre des essais pour connaître le comportement du fuel
lourd au fond des océans.
Le but est donc d’étudier la variation de densité d’un échantillon de fuel du pétrolier PRESTIGE - prélevé avant son
naufrage au large de l’Espagne (Cap Finisterre) - plus particulièrement à –3500 m afin de déterminer si le fuel - à une
température de +3 °C et une pression de 350 bar - conserve ou non une flottabilité positive par rapport à l’eau de mer, mais
aussi évaluer la densité de ce pétrole lourd tout le long de la colonne d’eau jusqu’à la surface.
Les expérimentations en caisson hyperbare ont permis de mesurer la densité du fuel dans les conditions de pression et
température in situ dans la zone du naufrage, pour différentes profondeurs.
Astelab 2003
19 -
3
Moyens d’essais pour la simulation de l’environnement marin profond
3.1.
Les données du problème
La densité annoncée est de 0,995, à comparer avec la densité de l’eau de mer en surface 1,025. Le différentiel entre fuel et
eau de mer est de 0,03. Une bonne précision des mesures est indispensable compte tenu de ce faible écart. La méthode
−3
expérimentale appliquée à l’Ifremer permet de déterminer la densité avec une incertitude de ±10 .
La densité du fuel soumis à une immersion à grande profondeur dans les océans dépend de deux paramètres importants : la
pression et la température.
Pour mesurer la variation de volume et calculer la densité de cet échantillon immergé en fonction des deux paramètres, il
est indispensable de simuler cet environnement en utilisant un caisson hyperbare permettant de faire varier la température
du liquide pressurisé.
Les essais ont été réalisés en eau douce (salinité nulle), ce qui permet de ne tenir compte dans les calculs que des
paramètres pression et température.
Le fuel devant être isolé de l’eau, il a été introduit dans un sac en polyéthylène fermé par soudures en essayant
d’emmagasiner le minimum d’air avec le fuel, car la présence de gaz perturbe les mesures au faibles pressions (<50 bar).
3.1.1. Principe des mesures
Une balance mesure les variations relatives de pesée de l’échantillon engendrées par les variations de la poussée
d’Archimède car pression et température soumettent le fuel à des variations de volume.
La pression et la température influent sur tous les éléments introduits dans le caisson, ce qui nécessite d’évaluer les effets
respectifs sur chacun d’entre eux (balance, lest métallique, sac en polyéthylène, eau) et qui rend plus difficile
l’interprétation des résultats.
En effet, non seulement l’échantillon introduit dans le caisson voit sa masse volumique se modifier mais aussi le liquide de
pressurisation dont il faut recalculer la densité (ou masse volumique).
3.1.2. Formule de l’UNESCO
La masse volumique ρ de l’eau de mer dépend de la salinité S, de la température T et de la pression p. La relation
ρ=ρ(S T p) est l'équation d'état de l'eau de mer. Cette relation empirique est le résultat de nombreuses études en
laboratoire. La première équation établie en 1902 par Knundsen et Ekman est aujourd'hui remplacée par "l'Equation d'Etat
Internationale" (1980).
•
3.2.
Evolution de la densité avec la profondeur :
La densité augmente avec la profondeur, les eaux les plus denses se trouvant naturellement au fond des océans.
L’évolution de la densité avec la profondeur n’est toutefois pas uniforme.
Les résultats obtenus
Le montage et le mode opératoire ont été définis et mis au point avec le fuel de l’Erika pour valider la procédure d’essai.
Les valeurs de densité en pression montrent que le fuel du Prestige a une flottabilité positive sur toute la colonne d'eau, et
que l'écart par rapport à l'eau de mer reste a peu près constant (∆d ≈ 0,03) de 0 à 3500 m.
Astelab 2003
19 -
4
Moyens d’essais pour la simulation de l’environnement marin profond
Comparaison des densités de l'eau de mer et du fuel
Ce fuel a la particularité d’être plus léger que l’eau douce dans les mêmes conditions de température et pression (tandis que
le fuel de l’Erika se positionne entre l’eau douce et l’eau de mer ; sa flottabilité reste positive (∆d ≈ 0,02)).
4. LES ESSAIS SUR LES MOUSSES SYNTACTIQUES
4.1.
Les mousses syntactiques
4.1.1. Définition
Les mousses syntactiques sont des matériaux composites constitués d’un liant organique et d’une charge d’allégement.
Elles contiennent des microsphères creuses en verre (diamètre 5 à 200 µm) associées à une matrice époxyde ou des
macrosphères creuses en résine organique liées à une matrice en mousse syntactique.
4.1.2. Propriétés
Ces matériaux obtenus par moulage, peuvent être usinés sans dommage pour leurs propriétés intrinsèques, avec des
dimensions très variées.
Leur densité est inférieure à celle de l’eau (≈0,4 à 0,8) et leur grande résistance en compression permet d’obtenir des blocs
à flottabilité optimisée pour toutes les profondeurs. Leur résistance aux températures élevées et leur qualité d’isolant
thermique augmentent leur domaine d’application.
4.1.3. Utilisation
Les mousses syntactiques utilisées comme matériaux d’allègement pour de petites et grandes dimensions trouvent des
applications dans des domaines différents comme l’aéronautique mais principalement dans le domaine maritime.
Tantôt matériaux de flottabilité pour les sous-marins grandes profondeurs (-6000m), les mousses sont également utilisées
comme âme sandwich pour les éléments de pont ou pour le remplissage de structures métalliques de sous-marins mais
surtout dans l’industrie pétrolière offshore.
Cette industrie a des besoins croissants dans le développement des systèmes de transfert de fluides par grands fonds ou
dans les liaisons ″fond-surface″ ; l’isolation thermique de ces systèmes est reconnue comme un point clef pour ces
développements.
L’industrie offshore, qui a des perspectives d’exploitation dans le Golfe de Guinée, a mis en place un grand programme
d’évaluation approprié pour les matériaux d’isolation thermique des pipelines et risers jusqu’à des profondeurs de 3000 m.
Ce programme d’évaluation implique des opérateurs pétroliers tels que TotalFinaElf, des centres de recherche comme
l’Ifremer ou l’IFP et une autorité de certification, le Bureau Veritas ; l’élargissement à d’autres partenaires des compagnies
pétrolières est envisagé pour constituer un grand projet international.
Le comportement thermique des pipelines de transport de fluide doit être pris en compte dans les nouveaux champs
d’exploitation pétrolier, pour empêcher la production de bouchons ou d’hydrates. Les champs les plus profonds
(profondeur >1 500m) sont particulièrement sensibles à ces problèmes, il faut donc trouver des solutions.
Les solutions courantes, ″pipes enrobés ″, ″pipe dans pipe″, ″mousse syntactique″, doivent être adaptées aux grandes
profondeurs. En effet, il y a des limitations de conductivité thermique, de pression hydrostatique et de possibilités
d’installation ou de mise en œuvre.
Astelab 2003
19 -
5
Moyens d’essais pour la simulation de l’environnement marin profond
Il est donc nécessaire de faire des essais permettant d’évaluer le potentiel des matériaux couramment utilisés pour réaliser
la flottabilité et l’isolation thermique des pipelines en grande profondeur.
Projet GIRASSOL
4.2.
Microsphères
Les types d’essais
4.2.1.
Définition
Différents tests hors pression sont réalisés sur ces matériaux suivant leur utilisation future. Ce sont surtout et
principalement des essais mécaniques comme la flexion, le cisaillement, la compression, la traction, mais aussi des mesures
pour connaître la densité et le coefficient de dilatation en fonction de la température.
A côté de ces tests ″classiques ″, des essais sous pression hydrostatique sont nécessaires car toutes les mousses syntactiques
perdent une partie de leur flottabilité quand elles sont immergées par grande profondeur.
A court terme, la plus grande partie de la perte initiale est due à la compression élastique, tandis que les pertes à long terme
sont provoquées par absorption d’eau.
Des calculs prédictifs permettent d’estimer ces pertes, toutefois ils peuvent diverger en fonction du matériau et de la
fabrication.
Les tests portent sur les aspects suivants :
•
compressibilité et variation de flottabilité :
Les pertes par compression élastique peuvent être exprimées par:
V = 100(P/K), avec :
V : variation de volume en % (≤ 1.0 à 2.0 %).
P : pression hydrostatique (psi).
K : module (psi) ou module élastique E.
Ces essais sont réalisés à des pressions égales à 65 %-75 % de la pression d’implosion.
•
pression d’implosion ou crush test :
Le test d’écrasement est destiné à connaître la limite de flottabilité d’une mousse sachant qu’à partir de 3.0 %
de la variation de volume, les dommages causés aux microsphères sont irréversibles et entraînent un
écrasement permanent.
•
prise en eau :
La surface d’une mousse syntactique est composée de nombreuses fissures et de vides qui absorbent l’eau de
manière continue pendant l’immersion. La vitesse d’absorption de l’eau diminue avec le temps suivant
l’équation :
W= X(Log NH) + Y avec :
W : Percent weight gain, %.
N : nombre de cycles de pression.
H : nombre d’heures à la pression de service.
X,Y : constantes (généralement X=1 et Y=0).
Prise en eau
Astelab 2003
19 -
6
Moyens d’essais pour la simulation de l’environnement marin profond
D’autres essais sont réalisés, notamment la combinaison des effets de la pression et de la température ainsi que la tenue à
long terme en pression qui est simulée soit par une pression plus grande et/ou du cyclage. A titre d’exemple, des calculs
montrent qu’un cycle à la pression de 100 bar pendant 100 heures équivaut à une pression de 35 bar pendant 10 ans pour
une mousse dont la pression d’implosion se situe vers 140 bar.
4.2.2. Principe des mesures
Une balance mesure les variations relatives de pesée de l’échantillon engendrées par les variations de la poussée
d’Archimède car pression et température soumettent la mousse syntactique à des variations de volume .
La taille des blocs de mousse testés dépend de l’étendue de mesure de la balance utilisée.
4.3.
Les résultats obtenus
La figure suivante, qui représente un test d’écrasement, montre que la pression d’implosion survient vers 80 Mpa ; la
variation de volume relative en fonction de la pression permet d’évaluer le coefficient de compressibilité χ du matériau,
constant pendant la montée en pression.
La courbe avec correction tient compte de la compressibilité du liquide de pressurisation ; elle est recalculée à l’aide de la
formule de l’UNESCO.
Evolution de la densité d'un bloc de mousse
5.
CONCLUSION
Les quelques exemples traités ici montrent la variété des sujets d’études auxquels ce type de moyens d’essais peut être
consacré.
Le programme d’évaluation des mousses syntactiques a permis aux industriels du secteur d’opérer des choix techniques et
d’engager leur société sur des tonnages potentiellement importants à fabriquer.
La connaissance de l’évolution de la densité du fuel du Prestige permet aux organismes chargés d’améliorer les modèles de
dérive des nappes de pétrole de faire des prévisions plus sûres sur la vitesse de remontée du fuel en fonction des masses
d’eau et des courants au voisinage de la zone de naufrage du pétrolier.
Comme c’est le cas dans de nombreux secteurs d’activités, les opérateurs du milieu marin comprennent aujourd’hui que le
succès d’une mission en mer, dont le coût peut avoisiner 2 M€ peut être tributaire d’un essai préalable dont le budget ne
dépasse pas 20 k€.
Par ailleurs, les installations d’essais en environnement profond d’Ifremer sont aujourd’hui labellisées ″Infrastructure de
Recherche Européenne″ par l’union européenne. Elles sont à ce titre visitées par des PME/PMI et des équipes de recherches
qui les utilisent pour y traiter des sujets les plus variés, prouvant ainsi, si c’était nécessaire, l’intérêt de ce type de moyen de
simulation de l’environnement très spécifique.
Astelab 2003
19 -
7