1

Analyse des phénomènes vibratoires dans un pipeline Simulation 1D

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