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CA 2014 : 1,3 M€ Employés : 12 Basée à CAMBRAI (59) Conception et intégration
de solutions électroniques embarquées
CA 2014 : 5,9 M€ Employés : 29 Basée à LORETTE (42)
Conception et fabrication de
composants pour fluides
CA 2014 : 0,5 M€ Employés : 6 Basée à LORETTE (42)
Ingénie en analyse, modélisation et
simulation des systèmes complexes. Concepteur
de solutions 2
HOLDING FINANCIÈRE / SOCIÉTÉ CONSOLIDANTE Gère et contrôle 3 entreprises aux intérêts communs. o FLUID-SYSTEM, créée en 1984 o DESIGNTRONIC, rachetée en 2007 (fondée en1973) o CEREBRUM, créée en 2014
Solutions innovantes et fiables pour la technologie de commandes électroniques et mécatronique.
3
NOTRE SAVOIR FAIRE Conception Optimale de Systèmes globaux et Simulation numérique
o FLUIDES SOUS PRESSION
o MECATRONIQUE (Cinématiques complexes)
o INTELLIGENCE ELECTRONIQUE
o FABRICATION ET MISE AU POINT DE PROTOTYPE
o ESSAIS
o INDUSTRIALISATION (Gestion de projet)
4
TECHNIP
o Caractérisation du clapet et modélisation des éléments pipe & clapet assemblés.
o Identification des modes propres
o La Direction des Opérations reporte un phénomène « Suck & Blow » (Expulsion d’eau intempestive) en cours de dépose sous-marine, malgré le dispositif anti-retour.
o Ajout de clapets sur la poche o CEREBRUM Ingénierie a enrichi la base de
connaissances techniques produit de TECHNIP et des modules solutions AMESIm
o Feedback client : rapidité, fiabilité et précision des résultats
PROBLEME
DEMARCHE
SOLUTION
5
ETAT DE L’ART
o Pipelines : → Conduites permettant le transport du pétrole,
→ Exploitation des champs pétroliers sous marins.
o Pipelines déposés en mer depuis un navire
o Navire soumis à la houle => influence sur la conduite
o Plusieurs modes de déploiement → Conduites flexibles bobinées déployées à vitesse rapide et
continue
→ Conduites rigides déposées par tronçons soudés entre eux
o Phases de maintenance : recovery → Pour les conduites rigides, nécessité de remonter la conduite
en cas de soudure défectueuse
o Dosage de l’eau → Lors du déploiement la conduite se remplit d’eau
→ Traitement de l’eau par un produit anticorrosion via une station de dosage
PROBLEME PROBLEME
6
FORMULATION DU PROBLEME
o Observation Technip : → fortes oscillations d’eau dans le pipeline qui engendrent
Débordement d’eau : Geyser de plusieurs mètres de haut
Surconsommation de produit anticorrosion
Dangers pour les ouvriers
o Rôle de Cerebrum : → Comprendre les phénomènes qui créent ces oscillations
→ Mettre en œuvre une solution technique pour s’affranchir du phénomène
o Outils : → Compétences en hydraulique, mécanique, vibrations => calculs
analytique
→ Modélisation 1D sous AMESim (Siemens PLM Software)
→ Calculs CFD sous Solidworks Flow Simulation (Dassault System)
PROBLEME
7
CONTRAINTES
o Maîtriser les phénomènes vibratoires pour : → Permettre le remplissage du pipeline,
→ Éviter les débordements d’eau,
→ Gérer la consommation de produit anti-corrosion,
→ Assurer la résistance mécanique du système pipeline+station de dosage.
PROBLEME
8
DÉMARCHE GLOBALE
o Approche théorique : → Simplifiée : résultats théoriques pour validation du modèle
numérique
→ Complète : mise en équations du problème
o Modélisation 1D sous AMESim : → Modèle à longueur de conduite fixée : modes de vibration du
pipeline,
→ Modèle de déploiement : respect de la conservation de la masse d’eau,
→ Exploitation du modèle : dimensionnement d’une solution technique conforme aux attentes du client.
DEMARCHE
9
HYPOTHÈSES
DEMARCHE
o Profondeur de mer connue (Zeau),
o Houle : signal sinusoïdal d’amplitude H0, période T0,
o Phénomènes thermiques négligés : étude purement hydraulique
o Mouvement du pipeline dans le plan
(𝑂, 𝑋 , 𝑍 ).
surface
fond de mer
navire
Zeau
o Pipeline : conduite compressible en acier de section S, longueur L, épaisseur e, → Verticale avant atteinte du fond de mer,
→ Courbe une fois le fond de mer atteint.
10
MISE EN ÉQUATIONS
DEMARCHE influence de la pression
terme de gravité et accélération
advection
viscosité
compressibilité
o Ecoulement hydraulique régi par les équations de Navier :
→ Eau de mer : fluide compressible
→ B : Module de compressibilité équivalent pipe+eau de mer
→ Prise en compte du pilonnement du navire par modulation du terme de gravité
→ Variation de l’écoulement dans le temps et dans l’espace
→ Prise en compte des frottements (viscosité du fluide)
11
DISCRÉTISATION DU PROBLÈME
DEMARCHE
o Découpage du pipeline en tronçons définis par :
→ Une longueur 𝒍𝒊
→ Une orientation 𝜽𝒊 par rapport à l’horizontale
o Position de chaque tronçon 𝑋𝑖, 𝑍𝑖 au cours du temps fournies par le client
Segment de pipeline
12
MODÈLE DE PRÉTRAITEMENT
DEMARCHE
o Calcul des termes d’accélération
𝐾𝑖 = sin(𝜃𝑖)(1 +𝑍𝑖
𝑔+
𝑋𝑖
𝑔𝑡𝑎𝑛(𝜃𝑖))
→ Construction d’un modèle AMESim dédié au prétraitement
→ Obtention des données d’entrée du modèle AMESim du système
o Réduction du temps de calcul :
→ 𝐾𝑖 : signal sinusoïdal
→ La lecture des fichiers data et leur exploitation est économisée dans le modèle principal
13
PIPELINE DE LONGUEUR FIXE, MODÈLE
DEMARCHE
o Création d’un composant AMESim dédié au problème : pipe avec modulation de la gravité (utilisation du module AMESet)
longueur du pipeline posé sur le fond de mer : (Ki=0 : tronçon horizontal)
longueur de pipe entre le fond de mer et la surface : Tronçons de pipeline avec Ki calculé par prétraitement
Variation du niveau d’eau dans la conduite : modèle de réservoir régi par les lois statiques (hauteur réduite au minimum) 14
PIPELINE DE LONGUEUR FIXE, EXPLOITATION
DEMARCHE
o Conditions aux limites : → Pipeline ouvert côté navire
→ CL ouverte/fermée/mixte côté mer
o Théorie vibratoire :
→ Conduite CL ouvert-ouvert : 𝑓 =𝑛
2𝐿
𝐵
𝜌
→ Conduite CL ouvert-fermé : 𝑓 =2𝑛−1
4𝐿
𝐵
𝜌
o Profil de pression/débit AMESim :
→ Longueurs de résonance AMESim
conformes à la théorie
CL ouvert-ouvert :
Visualisation du mode 1 pour Lh=5000m :
amplitude de pression maximale, 1 ventre
Lh=10000 : mode 2 => 2 ventes de vibrations
Profil de pression pour différentes longueurs horizontales de conduites :
Lh=10000m
Lh=5000m
Lh=2500m
15
DÉPLOIEMENT DU PIPELINE
DEMARCHE
Conservation de la masse : -> vitesse de déploiement 𝑣𝑙𝑎𝑦
-> pendant dt : ajout d’une longueur de pipeline 𝑣𝑙𝑎𝑦𝑑𝑡
-> débit de sortie équivalent imposé : 𝑆𝑣𝑙𝑎𝑦
Implémentation d’un composant AMESim « conduite de longueur variable avec modulation du terme de gravité »
Longueur du pipeline réglée à partir du profil de vitesse de déploiement 𝑣𝑙𝑎𝑦 16
PISTES DE SOLUTION
o 2 idées : → Clapet anti-retour permettant remplissage de la conduite avec un gap d’air
suffisant pour éviter le débordement d’eau,
→ Poche de stockage d’eau pour compenser les oscillations.
o Modélisation de ces technologies sous AMESim pour étudier leur influence sur le système.
SOLUTION
17
CLAPET ANTI-RETOUR
SOLUTION
o Principe : → Pression d’ouverture : 𝑃𝑐𝑟𝑎𝑐𝑘
→ Remplissage tant que : 𝑃𝑚𝑒𝑟 > 𝑃𝑝𝑖𝑝𝑒 − 𝑃𝑐𝑟𝑎𝑐𝑘
→ Gap d’air attendu dans le pipe (hors résonance) : 𝑃𝑐𝑟𝑎𝑐𝑘−𝑃𝑜𝑠𝑐
𝜌𝑔
o Simulation : → Prise en compte de la compressibilité du fluide
→ Apparition du phénomène de résonance
→ À la résonance : Posc>Pcrack=>débordement
Clapet anti-retour inséré entre pipeline et station de dosage
18
Pmer Ppipe
POCHE COMPENSATRICE
o Concept : mise en place d’une poche reliée à la sortie du pipeline et à la mer → Surpression dans le pipeline : remplissage de la poche
→ Dépression dans le pipeline : vidage de la poche
→ => But : compenser les oscillations d’eau et de pression dans la conduite
o Simulation à longueur de conduite fixe
SOLUTION 0
2
4
6
8
10
12
0 2000 4000 6000 8000 10000 12000
Aea
u (
m)
Longueur totale de pipe (m)
Amplitude de hauteur d'eau dans le pipe en fonction de la longueur du pipeline
pipe+compensateur+hose2'' pipe+compensateur pipe bouché
Amplitude max acceptable : 4,3m => Solution compensateur intéressante
Résonance ouvert-ouvert
Résonance ouvert-fermé
19
SOLUTION
o Jonction pipeline-station de dosage-mer : → Nombreux composants et conduites
→ Nécessité de modéliser au mieux ces éléments (Condition aux limites)
- Pertes de charges équivalentes estimées sous AMESim et CFD
- Courbes caractéristiques statiques et dynamiques des composants implémentées par contrôle PID
- Limiteurs de débits
- Pompes doseuses
MODÉLISATION DE LA FIN DE CONDUITE
20
POCHE COMPENSATRICE, MODÈLE
Poche modélisée comme un piston à 2 butées (pleine ou vide), relié au pipeline et à la mer
Station de dosage : loi de dosage : 6ppm si Q>2,7L/min
Conservation de la masse pendant déploiement
Pipe fond de mer
Compensateur
Pipe caténaire
(Vitesse)
(Masse) T de jonction station de dosage, compensateur
Perte de charge en entrée de poche
21
POCHE COMPENSATRICE, COMPORTEMENT (1)
o Données : → Déploiement en échelons à 12m/min.
→ Période de houle : T0=10s
o Observations : → Pics de pression de 10bar au niveau du T
→ Coïncidence des pics avec l’arrivée du compensateur en butée vide
o Lors du déploiement, la poche se vide totalement, générant des pics de dépression à forte amplitude. Résistance de la poche aux dépressions : 10bar
SOLUTION
Volume de la poche
Pression au T
T0
22
POCHE COMPENSATRICE, COMPORTEMENT (2)
Backflow
T0
o Remplissage en déploiement horizontal : → Pic de débit entrant par les limiteurs à chaque
période T0
→ La dépression causée par le manque d’eau dans la poche est compensée par un pic de débit entrant par les limiteurs
→ Pas de pics hors déploiement
o Influence de la perte de charge en entrée de poche : → Simulation réalisée avec
perte de charge nulle
Perte de charge équivalente à Ø53,8mm
→ Même amplitude des pics
→ Amplitude de débit hors pic augmente avec la perte de charge
→ Influence de la perte de charge sur la répartition des débits au T
23
POCHE COMPENSATRICE, DIMENSIONNEMENT (1)
o Loi de dosage : 600ppm si Q>2,7L/min
o Critère de non-surconsommation : → Hors déploiement, débit sortant par les limiteurs<2,7L/min
→ Dimensionnement de l’orifice d’admission de la poche pour respecter ce critère
o Méthode : → Perte de charge modélisée par un orifice
calibré
→ Augmentation de la taille de l’orifice => temps de calculs très longs, limite numérique
→ Simulation réalisée pour des orifices de diamètre inférieur à 100mm puis extrapolation des débits
→ Détermination du diamètre d’admission de poche pour respecter le non-débordement
0,01
0,1
1
10
100
1000
-30 20 70 120 170 220 270 320 370 420
Bac
kflo
w D
po
che
- B
ackf
low
D
∞(L
/min
)
Dpoche (mm)
Courbe backflow/diamètre d'admission poche
Déploiement vertical Déploiement horizontal Critère
24
POCHE COMPENSATRICE, DIMENSIONNEMENT (2) o Cas d’une maintenance, relevage d’un tronçon de 60m de conduite.
o Processus inverse du déploiement => vérification de la résistance de la poche aux surpression.
Différence de pression dans la poche (bar)
Déplacement du piston (m)
→ Elévation d’eau dans la conduite
→ Remplissage de la poche
→ Poche pleine=> surpression dans la poche
→ Risque d’explosion de la poche (résistance +1bar)
SOLUTION
60m de relevage
Déploiement
End of laying
Longueur horizontale de pipeline (m)
Elévation d’eau (m)
25
POCHE COMPENSATRICE, DIMENSIONNEMENT (3)
o La simulation montre un risque d’explosion de la poche → Mise en œuvre d’une solution avec clapets de sécurité à faible tarage
→ Surpression dans la poche => ouverture des clapets => rejet d’eau vers la mer
Clapet de sécurité placé entre la poche et la mer. Rejet d’eau vers la mer
SOLUTION
26
CONCLUSION (1) o Phénomène de résonance hydraulique complexe dû à des
conditions aux limites non parfaites
o Couplage de plusieurs phénomènes : → Houle
→ Résonance
→ Déploiement
o Prise en compte des caractéristiques réelles des composants Validation du modèle sur des cas simples par comparaison avec des résultats théoriques
o La simulation 1D a permis : → D’identifier les modes de résonance hydraulique des pipelines,
→ D’appréhender le remplissage du pipeline couplé aux phénomènes vibratoires,
→ De tester différentes pistes de solution,
→ De dimensionner une solution technique conformes aux exigences clients
.
PROBLEME
DEMARCHE
SOLUTION
Nécessité de construire un modèle numérique
27
CONCLUSION (2)
o A l’aide de la simulation numérique nous avons pu apporter une explication scientifique solide au problème des geysers observés lors du déploiement de pipelines.
o Cette étude a permis à TECHNIP de résoudre un problème majeur dans l’exploitation des champs pétroliers sous-marins et d’approfondir sa connaissance du comportement des pipelines.
o Une solution technologique a pu être apportée pour s’affranchir des difficultés engendrées par les phénomènes de résonance hydraulique dans les conduites pétrolières.
o Le modèle numérique construit peut être utilisé pour différents types de terrains et profils de déploiement : il constitue un outil de dimensionnement pour les stations de dosage.
PROBLEME
DEMARCHE
SOLUTION
28