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Projet de Fin d’Etudes - ESPEILLAC Sylvain –

GM5EI

DESIGN ET CALCUL DE STRUCTURES DE LEVAGE

D’OBTURATEURS DE PUITS DE FORAGE DESTINES A

L’INCORPORATION SUR PLATE-FORME PETROLIERE

Projet de Fin

d’Etudes de

CAMERON France,

à Béziers (34),

JUIN 2012.

Tuteurs CAMERON : MM. JAUZION et VARGAS

Tuteur INSA de Strasbourg : M. KOVAL

Projet de Fin d’Etudes - ESPEILLAC Sylvain – GM5EI

2012

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Institut National des Sciences Appliquées de Strasbourg

PROJET DE FIN D’ETUDES

Auteur : ESPEILLAC Sylvain Promotion : GM5- EI

Titre : DESIGN et CALCUL de STRUCTURES de LEVAGE

D’OBTURATEURS de PUITS de FORAGE DESTINES à

L’INCORPORATION sur PLATE-FORME PETROLIERE

Soutenance : JUIN 2012

Structure d’accueil : CAMERON France

Nb de volume(s) : 1 Nb de pages : 70

Nb de références bibliographiques : 0

Résumé : L’objectif de mon stage était de trouver un design de Lifting Frame qui pouvait s’adapter aux plus

grands nombres de plates-formes pétrolières possibles et dont la résistance mécanique était assurée par un

calcul par éléments finis. Les Lifting Frames sont des pièces qui permettent de soulever et manutentionner

des assemblages très lourds (environ cent tonnes) d’obturateurs de sécurité de puits de forage. J’ai d’abord

identifié les différents paramètres qui influencent le design afin de dessiner une Frame capable de soulever

l’assemblage d’obturateurs lorsque ces paramètres sont le plus défavorable possible. Ainsi dans des cas plus

avantageux le nouveau design sera toujours valable : La Lifting Frame pourra s’adapter sur des plates-

formes pétrolières différentes sans avoir à être entièrement redessinée à chaque fois.

Mots clés : PRODUITS PETROLIERS - CALCUL PAR ELEMENTS FINIS - CONCEPTION

Traduction: The purpose of my professional training was to design a Lifting Frame capable of fitting in any

rigs and whose mechanical resistance was ensured by a finite element analysis. A Lifting Frame is a product

which permits to lift and handle a blowout preventer assembly weighting around one hundred metric ton.

First I had to identify the different parameters which impact on their design. Then I had to design a Lifting

Frame capable of lifting those assemblies even if those parameters were the most restrictive. Thus, in more

convenient case the new design will still be viable: the Lifting Frame will be suitable for different rigs

without having to be redrawn entirely each time.


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Contenu REMERCIEMENTS .................................................................................................................................... 3

INTRODUCTION ....................................................................................................................................... 4

1. LE FORAGE ....................................................................................................................................... 6

1.1. Qu’est-ce que le forage ? ........................................................................................................ 6

1.2. Le tubage ................................................................................................................................. 6

1.3. La boue de forage .................................................................................................................... 7

1.4. La cimentation des colonnes de tubage .................................................................................. 8

1.5. Les éruptions : blowout ........................................................................................................... 9

1.6. Comment opérer pour maîtriser les éruptions ? .................................................................. 10

2. LA GAMME DE PRODUITS DE CAMERON FRANCE ........................................................................ 12

2.1. Département Forage (Drilling) .............................................................................................. 13

2.1.1. BOP ................................................................................................................................ 13

2.1.2. RAMs.............................................................................................................................. 16

2.1.3. Risers ............................................................................................................................. 17

2.2. Département Surface ............................................................................................................ 18

2.2.1. Vanne à opercules (Gate valve) ..................................................................................... 18

2.2.2. Tête de puits et arbre de Noël ...................................................................................... 19

2.2.3. Choke and Kill (C&K) Manifold ...................................................................................... 20

3. CONTEXTE DE CAMERON .............................................................................................................. 21

3.1. Historique de l’entreprise...................................................................................................... 21

3.2. Contexte économique ........................................................................................................... 23

3.3. Hiérarchie à CAMERON Béziers ............................................................................................. 25

4. TRAVAIL SUR LES LIFTING PLATES ................................................................................................. 27

4.1. L’assemblage du BOP type U ................................................................................................. 28

4.2. Modélisation sous Ansys ....................................................................................................... 32

4.2.1. Contacts ......................................................................................................................... 32

4.2.2. Maillage ......................................................................................................................... 32

4.2.3. Conditions aux limites ................................................................................................... 33

4.2.4. Résultats ........................................................................................................................ 37

4.3. Comparaison avec les anciens calculs de Lifting Plates......................................................... 40


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5. TRAVAIL SUR LES LIFTING FRAMES ................................................................................................ 42

5.1. Introduction ........................................................................................................................... 42

5.2. Paramètres influençant le design de la Lifting Frame ........................................................... 46

5.2.1. Entraxe des points de levage ......................................................................................... 46

5.2.2. SWL de la Lifting Frame ................................................................................................. 48

5.2.3. Elévation des points de levage ...................................................................................... 48

5.2.4. Orientation Main Lifting Points / Emergency Lifting Points .......................................... 49

5.3. Calcul des Lifting Frame existantes : « BUFFALO » et « LONG HORN » ................................ 51

5.3.1. Calcul sur le design « BUFFALO » .................................................................................. 51

5.3.2. Calcul sur le design « LONG HORN » ............................................................................. 55

5.3.3. Première piste pour un nouveau design : Calcul sur une version avec contact plan

entre la LF et le BOP annulaire ...................................................................................................... 56

5.3.4. Deuxième piste pour un nouveau design : insérer une rondelle entre le BOP annulaire

et la Lifting Frame .......................................................................................................................... 59

5.3.5. Nouveau design retenu pour la Lifting Frame ............................................................... 62

6. CONCLUSION ................................................................................................................................. 66

7. BIBLIOGRAPHIE .............................................................................................................................. 67


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REMERCIEMENTS

Mes remerciements s’adressent en premier lieu à M. JAUZION, responsable du Bureau

d’Etudes (BE). Il m’a permis de continuer avec ce Projet de Fin d’Etudes (PFE) la formation que j’avais

commencée l’été dernier pour mon stage technicien.

Je tiens aussi à remercier tout particulièrement mon tuteur, M. VARGAS, qui m’a patiemment

encadré tout au long du stage en étant à mon écoute.

Je remercie enfin également toutes les personnes du Bureau d’Etudes qui ont su m’intégrer

et qui ont pris le temps de me faire partager leur savoir-faire.

Pour finir, merci à M. KOVAL qui a été très disponible tout au long de ce PFE pour répondre à

mes questions.


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INTRODUCTION

Mon PFE s’est déroulé dans le Bureau d’Etudes (BE) de CAMERON à Béziers. Les ingénieurs et

techniciens - principalement des dessinateurs - qui y travaillent sont au nombre d’une vingtaine. Le

premier objectif de ce Bureau d’Etudes n’est pas tant la conception pure de nouveaux produits,

travail globalement centralisé à Houston (USA), que le support de production, car le site de Béziers

est avant tout un site de production :

Création des dessins utilisables dans les ateliers et création/gestion des fichiers permettant

leur suivi jusqu’à la livraison.

Répondre aux NCR (Non Conform Request), c’est-à-dire à des documents écrits à l’atelier ou

par des sous-traitant sur lesquels sont détaillés des non-conformités de pièces : tolérances

géométriques, problème de qualité… Concrètement, les réponses sont soit des demandes de

rebuts, soit des solutions techniques ou bien les ingénieurs estiment qu’il n’est pas

nécessaire d’intervenir.

Toutefois, le savoir-faire acquis par l’usine de Béziers sur certaines pièces fait que pour une

catégorie bien précise de produits Cameron, l’ingénierie et le design se font à Béziers : il s’agit en

particulier des produits Drilling, c’est-à-dire les produits utilisés au cours du forage

Mon travail durant ce PFE s’est principalement centré sur le calcul de résistance de structures

de levage appelées ‘Lifting frame’, conçues pour supporter le poids d’un ‘stack’, qui sont des

assemblages volumineux de différents produits Drilling. Ces stacks sont utilisés sur des plates-formes

pétrolières et en fonction de la géométrie de ces dernières, les lifting frames auront un design

différent.

Aujourd’hui, le BE reçoit de très nombreuses commandes de ces lifting frames, et l’objectif

était donc d’identifier les paramètres principaux impactant le design des lifting frames afin de

pouvoir très tôt - dans le traitement de la commande - se fixer sur une ossature générale de la frame

dont le calcul de résistance, fait sur le logiciel ANSYS, serait par avance valide.

Pour résumer, il a fallu :

Analyser l’historique du design des premières frames, ce qui permet de comprendre

leur fonctionnement, mais il faut en parallèle aussi,

Analyser le fonctionnement complexe des plates-formes pétrolières, ce qui permet

de :

Dégager les paramètres clés du design d’une frame.

Etablir les différents modèles CAO sous Inventor qui seront utilisés pour le calcul par

éléments finis.

Lancer les calculs.


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Indépendamment de ce travail, j’ai aussi fait des calculs de différents produits dessinés au Bureau

d’Etudes : structure de soutien au levage de Choke and Kill Manifold, pièces de levage pour différents

BOP…

Dans le premier chapitre sera présenté le principe du forage ainsi que l’environnement général d’un

puits de forage, ce qui permettra de comprendre quelles sont les notions principales qui jouent sur

les produits. Aucune distinction ne sera faite entre forage pétrolier et forage gazifière, car les

similitudes sont nombreuses.

Dans le deuxième chapitre on introduira justement les différents produits CAMERON en expliquant

brièvement quels sont leur rôle dans le processus de forage.

Dans le troisième chapitre, je présenterai l’usine de Béziers à laquelle j’ai travaillé : sa localisation,

son fonctionnement, l’aspect économique…

Dans le quatrième chapitre, on entrera enfin dans la partie technique de mon rapport, avec le

premier travail que j’ai fait sur les Lifting Plates.

Le cinquième chapitre sera entièrement consacré à mon sujet de stage :

« Design et calcul de structures de levage d’obturateurs de puits de forage destinées à

l’incorporation sur plate-forme pétrolière »


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1. LE FORAGE

Les produits sur lesquels j’ai travaillé font partie de la gamme « Drilling », littéralement

forage. Cette partie permet de comprendre l’environnement des produits.

1.1. Qu’est-ce que le forage ? Il s’agit de mettre en place une canalisation, isolée des couches qu’elle traverse, destinée à

mettre en communication la couche productrice avec la surface. Il faut donc que le forage soit tubé

sur toute sa hauteur et cimenté pour le lier au terrain et l’isoler.

1.2. Le tubage C’est un jeu de tubes concentriques de plus en plus petits, mis en place au cours du forage. Il

comprend de manière générale :

1. Un tube conducteur (conductor casing) : il soutient les terrains de surface et protège les

nappes aquifères éventuellement traversées. Cette colonne peut aller jusqu’à 50 mètres.

2. Un second tube appelé colonne technique ou surface casing : solidement ancré jusqu’à

environ 300 mètres, il constitue un amarrage solide et étanche (il est généralement cimenté

sur toute sa hauteur) car on peut traverser des couches sous pression laissant craindre une

éruption en creusant plus profond pour installer le tube suivant.

3. Une deuxième colonne technique pouvant aller jusqu’à 800 mètres.

4. Une colonne dite « perforée » : pénètre dans la formation (pouvant aller de 1500 mètres

jusqu’à 3000 mètres), on l’appelle aussi production casing. Cette colonne protège le tube de

production ou tubing (qui sera installé ultérieurement) des effondrements de la paroi, et

empêche les éboulements éventuels qui colmateraient l’extrémité du tube de production.


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Figure 1 - Tubage d'un forage

1.3. La boue de forage Voici les rôles divers et primordiaux que joue la boue de forage, que l’on injecte dans les tubes en

même temps que les outils de forage (fraise, trépan):

Elle remonte les débris causés par le forage d’une façon régulière permettant de les recueillir

sur les tamis (vibrants, rotatifs ou fixes) d’une façon continue et par conséquent de connaitre

les terrains au fur et à mesure de leur traversée.

Elle refroidit l’outil de forage qui sans cela serait complètement détruit par la chaleur : un

trépan utilisé sans circulation de boue en arrive à fondre sous l’effet de la chaleur.-

Elle contribue à soutenir les parois du forage et à empêcher leur éboulement, ce qui permet

de forer sans aucun autre moyen de soutènement des parois sur des profondeurs pouvant

atteindre plusieurs milliers de mètres.

Par la pression qu’elle exerce sur la paroi, elle empêche les couches d’eau, de pétrole et de

gaz que le forage traverse de débiter. Elle les sépare donc momentanément les unes des

autres, caractéristique très importante du point de vue de la sécurité du personnel de

surface et du sondage quand on atteint des couches à haute pression.


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1.4. La cimentation des colonnes de tubage La descente d’une colonne de tubes dans un sondage a pour but d’isoler derrière elle tous les

terrains qu’elle vient de traverser et d’éviter ainsi les éboulements, les pertes de boues, la

contamination de la boue et d’empêcher derrière la colonne toute communication entre les couches

qui contiennent des fluides à des pressions différentes. Pour que le tube d’acier remplisse

parfaitement son rôle, il faut qu’il soit parfaitement étanche dans son corps et aux niveaux des joints.

On emploie des tubes sans soudure réunis par des manchons filetés dont les filetages sont

parfaitement étanches quand ils sont vissés correctement.

Il faut, en outre, que soit assurée l’étanchéité dans la zone annulaire délimitée par le diamètre

extérieur du tube et le terrain. On utilise pour cela du ciment. On remplit sur toute la profondeur, ou

seulement sur une partie, selon le but recherché, ce volume intermédiaire.

Figure 2 - Progression de la cimentation dans un forage


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1.5. Les éruptions : blowout Le foreur se trouve un jour ou l’autre en présence de phénomènes qui peuvent prendre une tournure

dangereuse et qui sont la conséquence de la traversée par le trépan de terrains contenant de l’eau,

du pétrole et surtout du gaz à haute pression.

Les précautions, très sévères, que lui prescrivent les ingénieurs du réservoir dès l’arrivée dans les

zones pétrolières se justifient par les risques que courent alors le personnel et le forage.

Figure 3 – Eruption de pétrole en tête de puits

L’origine des éruptions est l’arrivée du trépan, qui forait jusqu’alors à travers des terrains ne

contenant pas de gaz, dans une couche perméable gazée dans laquelle le gaz est sous une pression

que nous supposons égale à celle de la boue. Il se crée ce qu’on appelle un bouchon de gaz.

La boue ainsi mélangée au gaz suit son circuit normal, c’est-à-dire remonte dans l’espace annulaire.

Au fur et à mesure que le mélange s’éloigne du fond, la pression à laquelle elle est soumise diminue

et en conséquence le gaz qu’elle contient se décomprime et augmente de volume selon l’évolution

de la loi de Mariotte. Ainsi, le volume du bouchon de gaz augmente très brutalement et s’accélère au

fur et à mesure de la remontée.

Un autre phénomène peut arriver : si la pression de la couche de gaz atteinte est supérieure à celle

qu’exerce la boue à ce niveau, il y aura en plus des bouchons un débit permanent de gaz à travers le

volume intérieur des tubes de forage. La même évolution du volume du gaz se constate ensuite.


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On peut donc ajouter une caractéristique primordiale de la boue de forage : sa densité est choisie de

manière à ce que la pression qu’elle exerce sur la couche d’hydrocarbures soit légèrement

supérieure à la pression qui règne dans la couche. Dans cette condition, la boue empêche tout débit

de la couche vers la tête du puits, et la boue s’enfonce légèrement dans la couche sans la gâcher.

1.6. Comment opérer pour maîtriser les éruptions ? Nous présentons ici une partie plus technique sur les opérations de remise de contrôle du puits si

l’éruption se produit, où seront introduits des produits importants : les blowout preventers

(littéralement les obturateurs d’éruption).

Par éruption, il ne faut pas comprendre seulement un débit subi spectaculaire, au contraire

l’éruption à ses débuts (sauf cas exceptionnel) consiste en un simple débordement de boue

généralement par l’espace annulaire. C’est dès cet instant de débordement relatif mais qui s’accélère

ensuite qu’il faut agir. C’est alors que la remise du puits sous contrôle est la plus facile ; il faut le faire

sans perdre une minute.

Le but à atteindre est le remplacement de la boue gazée ou trop légère par une boue de densité

suffisante pour empêcher le débit de gaz à l’intérieur du trou.

Dans ce but on envoie dans le trou par les tiges de la boue dégazée et éventuellement alourdie de

façon à le remplir complètement avec cette boue. Cette opération ne peut réussir que si la boue

qu’on envoie dans le trou n’est pas immédiatement expulsée par le fluide du gisement qui débite et

la refoule dans l’espace annulaire. C’est une des raisons qui fait qu’on doit fermer cet espace

annulaire au moyen des BOP. Mais il faut aussi que la boue gazée qu’on veut remplacer puisse être

évacués hors du trou de façon à laisser la place à la boue qu’on injecte. Il est donc nécessaire d’avoir

un orifice de sortie sous l’obturateur.


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Figure 4 – Fonctionnement d’un BOP (obturateur) / Circulation des boues lors d'une éruption

Figure 5 - Circulation des pressions de fermeture des RAMs (circuit bleu) et d'ouverture (circuit vert)


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2. LA GAMME DE PRODUITS DE CAMERON FRANCE Depuis 2007, l’entreprise CAMERON France s’est spécialisée dans deux activité principales : les

produits Production (Surface) et les produits Forage (Drillling).

Il faut savoir que tous les produits CAMERON, régis par l’American Petroleum Institute (API), sont

désignés par un diamètre de trou de forage et une pression de service sous laquelle ils fonctionnent

au maximum. Ces deux informations sont normalisées :

Le diamètre en pouce :

La pression en PSI :

Figure 6 - Gammes des produits CAMERON France

Dans cette partie nous présentons seulement les objectifs que remplissent ces différents produits

sans rentrer précisément dans le domaine technique.

CAMERON France products:

DRILLING

BOP

Riser...

SURFACE

Gate Valve

Wellhead

Christmas tree

Manifold...


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2.1. Département Forage (Drilling)

2.1.1. BOP

Figure 7 – BOP simple

Conçus pour résister à des pressions de service importantes pouvant aller jusqu’à 2000 bars et pour

opérer dans des conditions hostiles, les BOP permettent de sécuriser la tête de puits en cas de risque

de remontées. Des mâchoires permettent d’obstruer le puits en se serrant sur l’arbre du trépan,

préservant ainsi l’étanchéité du puits, ou bien en cas de dernier recours en le coupant.

Les BOP aujourd’hui fabriqués et testés à Béziers ont une renommée mondiale depuis la création de

l’entreprise au début du siècle par les américains J. Abercrombie et H. Cameron. Il s’agit d’un de ses

produits phares.

Les BOP à mâchoires sont essentiellement composés d’un corps en acier très massif, de deux

mâchoires, appelées RAM, qui peuvent avoir plusieurs fonctions selon leur forme (étanchéité pour

contrôler les éruptions, ou cisaillement pour casser le tube de forage en cas extrême) , et de deux

bonnets. Dans ces bonnets se trouve le système de déplacement hydraulique des mâchoires ainsi

que le système de maintien des RAM en position fermée.


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Figure 8 – Détail du fonctionnement d’un BOP

Il existe d’autres types de BOP qu’il faut introduire pour la suite de l’exposé :

Les BOP annulaires qui permettent de créer l’étanchéité du puits grâce à la déformation d’un

élastomère poussé par un piston.

Les BOP à mâchoires doubles (avec deux couples de RAM)

Figure 9 - BOP double

Lorsque les BOP sont montés les uns sur les autres, on obtient un BOP stack. Ce type de BOP

est le produit que doivent soulever les Lifting Frames, qui font l’objet de mon étude.

Bonnet

RAM

Système de maintien

des RAM en position

fermée

Piston hydraulique de

fermeture/ouverture des RAM Circuit d’ouverture des

RAM

Circuit de fermeture

des RAM

Axe des tubes de forage


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Figure 10 - BOP stack

Plusieurs modèles de BOP à RAM sont dans la gamme des produits Cameron, selon principalement

leur système de maintien des RAM en position fermée. Le plus courant est le suivant:

Les BOP type U sont proposés dans des dimensions de trou de forage allant de 7.1/16’’ à 26.3/4’’

pour des pressions de 2000 psi (140 bars) à 20000 psi (1400 bars) suivant les tailles. Ces BOP sont

utilisés pour des opérations de forage terrestre ou bien en offshore.


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2.1.2. RAMs

Les RAMs sont principalement de deux types : les Pipe servent à garantir l’étanchéité du puits en cas

d’éruption en épousant la forme du tube de forage, les Shear brisent le tube en cas de perte de

contrôle du puits.

Figure 11 - Pipe RAM à gauche, Shear RAM à droite

Pour certains clients, des shear tests se font à l’atelier : on teste le bon fonctionnement des shear

RAM en brisant un tube de forage du même type que les tubes de production du site.

Figure 12 - Etat du tube de production après un shear test


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2.1.3. Risers

Utilisés dans le cas de forage Offshore, les risers sont des colonnes de tubes reliant le BOP stack posé

au fond de l’océan à la plateforme de forage, servant à guider le train de forage et canaliser les

boues. Un riser de forage est composé :

D’un tube principal de diamètre 21’’ avec des connexions à brides à chaque extrémité. Ce

tube sert à guider le train de forage.

De lignes auxiliaires (généralement 5 ou 6 par riser) de diamètre 4 à 6’’ avec des étanchéités

par joints à chaque extrémité.

o Les 2 lignes duplex servent à amener les fluides hydrauliques au niveau du stack.

o La ligne « mud boost » sert à augmenter le débit de boue au niveau du stack afin de

faire remonter les sédiments.

o Les lignes C&K servent à gérer les boues comme vu au 6.2.2.

De clamps permettant de maintenir les lignes auxiliaires autour du tube principal.

De flotteurs en demi-coquille venant recouvrir le tout et permettant d’améliorer la

flottabilité du riser.

Selon les projets, la longueur d’un riser peut varier de 75 pieds (23 mètres) à 90 pieds (27 mètres).

Un projet représente en moyenne une centaine de risers assemblés les uns au bout des autres.

Figure 13 - Riser


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2.2. Département Surface Ce département regroupe tous les produits qui permettent la bonne gestion, le bon contrôle des

hydrocarbures arrivés à la surface. Sur ce domaine l’entreprise se positionne sur le marché européen,

africain et de l’ex-URSS.

2.2.1. Vanne à opercules (Gate valve)

Figure 14 - Gate Valve (sans son volet de fermeture)

Ce produit est largement répandu dans l’industrie de pétrole et du gaz car il s’agit d’un robinet

manuel qui permet d’ouvrir ou fermer les lignes de production si besoin est. Son intérêt est qu’il

n’est pas nécessaire de forcer excessivement pour la fermer.


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2.2.2. Tête de puits et arbre de Noël

Figure 15 – Christmas Tree (partie supérieure) et Wellhead (partie inférieure)

La tête de puits (Wellhead) et l’arbre de Noël (Christmas tree) sont installés après la phase de forage

pour l’exploitation de puits de pétrole/gaz. Ils sont constitués d’un assemblage de vannes à opercules

et de blocs. Ils servent à assurer le point de fixation des premiers tubes de forage et le contrôle des

pressions par une interface.


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2.2.3. Choke and Kill (C&K) Manifold

Figure 16 - Choke and Kill Manifold

Ce produit permet d’orienter les effluents d’un forage vers les bacs séparateurs et de réguler la

pression des puits. L’usine de Béziers a une grande expérience dans leur fabrication.

Un C&K manifold est constitué d’une série de tuyaux et de vannes qui reçoit la boue de forage d’une

ligne principale et qui la redirige vers d’autres lignes en fonction de l’état des vannes. Des

manomètres permettent de mesurer la pression d’entrée et de sortie.

Choke line : « ligne pour doser », permet de contrôler le fluide de forage venant du puits,

Kill line : « ligne pour tuer », permet de réinjecter le fluide dans le puits en cas d’éruption.


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3. CONTEXTE DE CAMERON

Présentation de l’entreprise : CAMERON International Corporation est un des principaux fournisseurs

d’équipements d’extraction, de transport et de production de l’industrie pétrolière et gazière. Cette

multinationale américaine fondée en 1833, dont le siège est à Houston (Texas, USA), est aujourd’hui

présente dans plus de 300 sites à travers le monde, et sur tous les continents. Ces clients sont

principalement les géants du pétrole: BP, Gazprom, Total… CAMERON est coté à la Bourse de New

York et son chiffre d’affaires dépassait en 2010 les 5 milliards de dollars.

3.1. Historique de l’entreprise CAMERON IRON WORKS INC :

Jim Abercrombie crée sa propre société de forage en 1920. Très vite, il s’aperçoit qu’avec

quatre appareils de forage et un équipement constamment en panne, il a besoin d’un atelier de

réparation. C’est ainsi qu’il fait équipe avec Harry Cameron, un magicien dans le domaine du fer,

l’inventeur de la première machine hydraulique à cueillir le coton. Ensemble ils créent à Houston la

société « CAMERON IRON WORKS INC ».

Le 20 aout 1920, une éruption très grave détruit la totalité d’un appareil de forage de la

société. A la suite de cet incident, Jim Abercrombie imagine un appareil à mâchoires protégeant

d’une telle éruption. Les deux hommes mettent ainsi au point le premier obturateur de sécurité

(BOP), produit qui devait lancer une société destinée à devenir un fournisseur mondial d’une grande

diversité d’appareils sous pression pour l’industrie du pétrole et du gaz.

Les deux hommes déposent un premier brevet aux USA validé en 1926, l’US Patent

n°1569247). Des tests et de nouvelles améliorations permettent une mise sur le marché en 1924.

COOPER OIL TOOL :

Le groupe COOPER INDUSTRIES, de Houston, se porte acquéreur de CAMERON IRON WORKS,

restée familiale jusqu’en 1989, qui devient donc une division de COOPER INDUSTRIES et prend le

nom de COOPER OIL TOOL.

COOPER CAMERON CORPORATION

Début 1995, COOPER INDUSTRIES décide de regroupe les activités ‘équipements pétroliers’

et ‘compresseurs’ dans une nouvelle société indépendante. Cette société prend officiellement le nom

de COOPER CAMERON CORPORATION en juin 1995.

CAMERON INTERNATIONAL CORPORATION (CIC)

En 2006, COOPER CAMERON CORPORATION change de nom et devient CAMERON

INTERNATIONAL CORPORATION.


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CAMERON France

Figure 17 - Localisation de Béziers

La découverte et l’expansion des gisements pétroliers du Sahara amènent la société, à la fin

des années 50, à installer une unité de fabrication quelque part sur le pourtour méditerranéen. Le

choix se porte sur les établissements FOUGA, qui était spécialisé dans la réparation du matériel

ferroviaire, à Béziers.

Figure 18 - Emplacement de CAMERON Béziers


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A l’époque, ce choix permet de profiter d’une infrastructure en bâtiments déjà existante, et d’une

main-d’œuvre qualifiée. Aujourd’hui ce choix stratégique est encore renforcé par la proximité des

ports de Marseille (3h) et de Barcelone (3h), ainsi que de l’Italie et de ses chaudronniers qui

collaborent avec Cameron Béziers.

Par la route, grâce à l’autoroute A75, Paris peut être rejoint en 7 heures ; la proximité de la vallée du

Rhône permet d’atteindre relativement facilement le Benelux. Dans des cas plus rares, l’aéroport de

Montpellier, à une heure, est utilisé pour les livraisons d’assemblages d’une centaine de tonnes.

Cette filiale démarre par la fabrication de petits robinets à tournant sphérique et l’assemblage de

quelques autres équipements. A la fin de cette période, Cameron France décide de se diversifier et

ajoute à sa gamme de produits destinés au transport des hydrocarbures des équipements destinés à

l’exploration et à la production pétrolière. En 1978, la société met en place des aires d’assemblage et

de test pour les BOP et pour les stacks destinés aux forages sous-marins.

Dès le début des années 1980, l’usine de Béziers devient le principal producteur de BOP Cameron (le

3000ème est livré en 2004), de vannes à opercules et de vannes à tournant sphérique. Aujourd’hui,

elle a livré dans le monde plus de 4000 BOP.

Depuis 2007, l’usine de Béziers a développé la fabrication d’une nouvelle ligne de production : les

Risers. Le 21 octobre 2008, le millième riser était fabriqué à Béziers.

Aujourd’hui, l’utilisation des BOP est un standard. Elle est d’ailleurs dûment règlementée par l’API

(American Petroleum Institute), l’organisme américain qui régit les industries du gaz et du pétrole, et

dont les spécifications sont suivies aujourd’hui par l’ensemble des produits CAMERON.

3.2. Contexte économique Depuis sa création, le poids économique de CAMERON n’a cessé d’être l’un des plus importants de

son secteur. En effet, CAMERON est côté à la bourse de New York et fait partie de l’indice boursier

Standard & Poor’s 500 (SPX), qui se base sur les résultats des 500 plus grandes sociétés américaines

cotées en Bourse (l’indice SPX a détrôné le Dow Jones comme l’indice le plus représentatif du

marché).

En 2010, le groupe réalisait un chiffre d’affaires de plus de 5 milliards de dollars, ainsi que des

bénéfices atteignant 475 millions de dollars [Wikipedia]. De son côté, l’action CAMERON (CAM) était

à une valeur d’environ $48,90 fin avril 2012 [Intranet]. En termes d’effectifs, les nombres sont aussi

impressionnants : les salariés directs sont de plus de 22000 autour du globe, répartis sur tous les

continents.


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Figure 19 - Localisation des usines Cameron

Rien que sur Béziers, CAMERON France regroupe environ 800 personnes début 2012, ce qui

est énorme pour une ville comme Béziers possédant 70000 habitants. On peut comparer son impact

à celui du groupe Airbus à Toulouse ou de Michelin à Clermont-Ferrand. Avec le site Eurocopter à

Marignane, c’est la plus grande entreprise du pourtour méditerranéen français. En comptant ses

sous-traitants et ses clients (MECANIC SUD, OSL, MTI sur Béziers, MTI dans l’Aveyron…), le nombre

de personnes ayant un travail lié à l’activité de CAMERON France s’élève rapidement, même si on ne

peut le quantifier précisément. On peut aussi noter le nombre de partenariats locaux et l’importance

du Comité d’Entreprise.

Toutefois il convient de préciser que ces dernières années, l’entreprise a connu des résultats

en baisse, par exemple -10,70% de chiffre d’affaires de 2008 à 2009 [Wikipedia]. Les résultats sont

en effet fortement liés à ceux de grands distributeurs de pétrole, qui eux-mêmes dépendent de

considérations géopolitiques complexes.

Pourtant, comme il avait été prévu l’été dernier, les résultats CAMERON France ont été

excellents pour l’année 2011. En effet, les commandes sont nombreuses et les ateliers de production

sont en surcharge depuis la mi-2011. Par conséquent, l’entreprise a commencé à pourvoir certains

postes qui s’étaient ouverts début 2012, après un plan social ayant supprimé environ 150 employés

en 2009 (suite justement à une crise du secteur qui a entrainé en particulier une délocalisation de

l’activité de Béziers en Roumanie).


2012

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3.3. Hiérarchie à CAMERON Béziers Les services de l’usine de Béziers sont très nombreux. Je vais présenter les principaux avec

lesquels j’ai pu être en contact, et en expliquer le rôle :

Le service ‘Liaison vente’ s’occupe de faire rentrer les commandes, de suivre les clients, de

détailler la commande dans un document spécial, appelé EWR (Engineering Work Request),

transmis en particulier au Bureau d’Etude, et mis dans le système international SAP. Il doit

aussi clarifier certains éléments techniques qui font défaut au BE en interrogeant le client.

Le service ‘Projet’ travaille sur des commandes très spéciales et des montants élevés : des

produits qui n’ont jamais été produits, qui ne le seront certainement plus et qui demandent

un suivi de A à Z. Typiquement il s’agit de stack. Il collabore surtout avec le BE, liaison vente

et le service planning.

Le service ‘Planning’ gère les délais de livraison voulus par le client et les possibilités de

production de l’usine.

Le service ‘Expédition’ gère les produits finis vers les clients. Les personnes de l’expédition

travaillent avec ‘production’ et ‘liaison vente’.

Le service ‘Production’ gère les ateliers de production, les machines-outils… Il reçoit les

dessins de définition du BE.

Le service ‘Aftermarket’ connait une importance croissante dans l’usine de Béziers car

Cameron veut développer une nouvelle activité de re-certification de matériel usagé. Le

matériel fournit par Cameron est certifié API pour une période de 5 ans. Une

recommandation API préconise au client d’effectuer une vérification du matériel tous les 5

ans. Malgré cette recommandation, beaucoup de clients n’effectuaient pas la révision

quinquennale. Ainsi plusieurs usines de Cameron, dont Béziers, ont créé des unités

Aftermarket pour proposer au client une réparation accompagnée d’une re-certification de

son matériel plus économique que la fourniture d’un matériel neuf.

Le service ‘Assurance Qualité’ (QA) dont les principales missions sont la mise en œuvre et la

coordination des plans de qualité, la planification des audits internes et fournisseurs, la suivi

et la clôture des Non Conform Requests renseignés par le Bureau d’Etudes…

Le service ‘Qualité Contrôle’ QC, proche du QA, qui se charge entre autres du contrôle de la

documentation relative à la qualité, de l’étalonnage des instruments de contrôle et de

mesure, la traçabilité des pièces…

NB : Le QC est donc plutôt garant de la qualité des produits dans l’usine alors que le QA a plus le rôle d’une interface entre l’usine et la clientèle / les sous-traitants.


2012

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Le service ‘Hygiène Sécurité et Environnement’ HSE se base sur les normes OHSAS 18001 et

ISO 14001. Il se charge particulièrement d’améliorer la sécurité du personnel par des

observations mensuelles obligatoires que doivent remplir le personnel concernant la sécurité

à l’atelier.

A ceci s’ajoute d’autres services qu’ont retrouvent globalement dans toutes les entreprises

comportant plusieurs dizaines de salariés :

Le ‘Service informatique’ avait créé entièrement le logiciel de gestion de l’usine avant

l’utilisation de SAP. Maintenant il s’occupe principalement du réseau entre usines, des bases

de données et du parc informatique…

‘Ressources humaines’,

‘Comptabilité’…

Figure 20 - Organigramme de CAMERON France en 2012


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4. TRAVAIL SUR LES LIFTING PLATES

Ce travail a été fait au début de mon stage. Il m’a permis de découvrir les dangers liés à l’utilisation

des pièces de levage (dont les lifting plates font parties) et de travailler à la documentation

concernant les certifications imposées par le client.

Une grande majorité des clients demande à ce que les produits fabriqués par Cameron soient

certifiés par deux grands organismes :

Det Norske Veritas (DNV) (1)

American Bureau of Shipping (ABS) (2)

Ces deux organismes prévoient différentes dispositions en termes de design, de coefficient de

sécurité, de critères d’acceptabilité pour les contraintes…

Les lifting plates (LP) sont des pièces assemblées sur les bonnets des BOP afin de pouvoir les soulever

et les manutentionner. Elles doivent donc à la fois présenter un trou permettant le passage des

manilles qui viennent soulever le BOP et être assemblées de façon à ne pas modifier le

fonctionnement des BOP.

Il faut aussi ajouter que les Lifting Plates sont des pièces assemblées seulement sur le BOP supérieur

d’un stack. Pour soulever un seul BOP, on utilise des trous de levage présent sur les Bonnets.

Objectif : préparer un modèle de calcul type pour une taille donnée de lifting plate et préparer le

document, appelé Design File (DF) qui sera envoyé à l’organisme de certification. Les améliorations

possibles par rapport à ce qui est fait actuellement sont :

de modéliser la LF dans l’assemblage BOP, alors que jusqu’à présent le modèle était simplifié

en ne prenant que la LF en compte. Ainsi on pourra voir l’ensemble des concentrations de

contrainte et des déplacements obtenus dans un modèle plus fidèle à la réalité.

de mettre à plat les critères des différentes contraintes que demandent les organismes de

certification, car jusqu’à présent les critères se transmettaient de bouche à oreille sans

vraiment qu’on s’intéresse à la documentation.

Ce DF devra conclure que la LF est bien conçu pour soulever verticalement la SWL (Safe Working

Load = charge réelle permise à un produit pour une configuration donnée) pour laquelle la LF a été

dessinée. Il devra aussi conclure si cette SWL est possible lorsque le BOP est soulevé à 45°.


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Figure 21 - Lifting Plate sur BOP: schéma de principe

4.1. L’assemblage du BOP type U Pour gérer les contacts et les conditions aux limites de l’assemblage sous le logiciel de calcul par

élément finis, il faut d’abord s’intéresser à l’assemblage d’un BOP type U.

Figure 22 - Lifting Plate montée sur le BOP

Vis de fixation de la Lifting Plate

sur le BOP (x4) Lifting Plate

Trou de passage de la manille


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Figure 23 – Assemblage d’un BOP


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Figure 24 – Assemblage d’un BOP (2)

Il a en premier fallu déterminer quelles étaient les pièces importantes pour mon modèle. Les pièces

indispensables sont tout d’abord :

Le Body (le corps);

L’Intermediate Flange (la bride intermédiaire);


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Le Bonnet ;

L’Housing Locking Screw (le logement pour la vis de fermeture).

De plus, il faut assembler la visserie qui sert à maintenir les pièces entre elles :

Les 4 Bonnet Bolts qui viennent serrer le Bonnet sur le Body ;

Les Cap Screws qui viennent serrer l’Intermediate Flange sur le Bonnet ;

Les Screws de l’Housing Locking Screw composés d’un Nut (boulon) et d’un Stud (goujon). Dans

le cas où une LP est insérée pour pouvoir lever le BOP, elle est assemblée après l’Housing

Locking Screw et on utilise des Studs plus longs.

J’ai aussi représenté certaines pièces intérieures qui sont susceptibles d’empêcher le glissement des

pièces entre elles :

Les RAM Change, qui en plus des Cap Screws, empêchent le glissement de l’Intermediate Flange

par rapport au Bonnet et au Body.

Dernièrement, j’ai aussi assemblé la manille qui vient soulever le BOP en se fixant au trou de levage

de la LP. Cette pièce n’était auparavant que rarement prise en compte et on mettait à la place

seulement une charge cylindrique sur la surface intérieure de l’alésage de la LF. Par conséquent, le

contact n’était pas précisément représenté, et les contraintes de matage qui peuvent fragiliser la LP

depuis le contact manille/LP jusqu’au haut de la LP n’étaient pas visualisables.

Voilà le modèle CAO que j’ai obtenu : deux symétries ont été faites pour limiter le nombre

d’éléments du maillage. De plus, j’ai simplifié certaines pièces – autres que la LP – qui n’étaient pas

directement à étudier et dont certains rayons et chanfreins demandaient trop de ressources.

Figure 25 - Modèle du calcul de la Lifting Plate


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4.2. Modélisation sous Ansys

4.2.1. Contacts

Dans l’arborescence d’Ansys, il est en premier lieu demandé de remplir manuellement les contacts.

Pour cela, il faut :

Etudier les dessins de définition de chaque pièce pour comprendre où se font les contacts,

surtout pour les pièces intérieures.

Lire les notices d’assemblage du BOP type U pour savoir quelles lubrifications sont utilisées.

Figure 26 - Ansys > Contacts

Il en ressort que sur les 50 contacts rentrés manuellement il en existe trois différents :

Contact ‘lié’ : entre les surfaces des différentes vis (Bonnet Bolts, Studs…) qui schématisent

les filets (qui ne sont pas représentés sur la CAO) et les filetages intérieurs.

Contact ‘avec frottement’ avec un coefficient de frottement moyen de 0,15 pour les contacts

acier/acier.

Contact ‘avec frottement’ avec un coefficient de frottement moyen de 0,09 pour les contacts

acier/acier avec le lubrifiant Molykote®. Ce lubrifiant est badigeonné sur les boulons et les

têtes de vis pour ne pas abîmer les pièces.

4.2.2. Maillage

Figure 27 - Ansys > Maillage


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Le maillage s’est fait en respectant une règle principale : le maillage doit être plus fin au niveau de la

LP, et en particulier au niveau du contact LP/manille, par rapport aux autres pièces. Pour cela, la

‘Taille du corps’ pour la LP est de 0,2 in et par exemple de 1,5 in pour le Body.

Par ailleurs, une ‘Méthode de balayage’ a été mise sur la LP afin d’avoir un maillage régulier sur

l’épaisseur, et un ‘Dimensionnement de l’arête’ a permis d’affiner le maillage au niveau du contact

LP/manille.

Le nombre de nœuds du maillage est de plus de 100000, ce qui avec le nombre et le type de

contacts insérés représente environ une demi-journée de calcul.

Figure 28 - Maillage du modèle

4.2.3. Conditions aux limites

Figure 29 - Ansys > Analyse statique


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Les conditions aux limites de l’assemblage sont principalement de trois types : les supports, les

charges et les précontraintes de boulon.

4.2.3.1. Les supports

1. Le support sans frottement permet de modéliser les symétries du BOP.

Figure 30 - Support sans frottement

2. Le support en compression est modélisé sur l’empreinte des écrous de la bride inférieure qui

permet de fixer un autre produit bridé en-dessous du stack. Il permet d’appliquer une contrainte

dans la direction normale seulement.

Figure 31 - Support en compression


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4.2.3.2. La charge

La charge est appliquée sur la manille verticalement dans le sens ascendant. On part de la SWL

exprimé en tonnes et on le convertit en lbf (pound force = livre)

Cependant, il ne faut pas oublier les recommandations des deux organismes de certification qui

imposent de majorer la SWL pour obtenir la charge de design :

DNV ABS

Fourchette du SWL

Charge de design ( )

Finalement, on peut calculer que le critère DNV est le plus contraignant que le critère ABS pour une

SWL inférieure à 46 tonnes. Donc pour une LP de SWL 25 tonnes :

Figure 32 - Charge de test appliquée sur la manille


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Figure 33 – Charge de test appliquée sur la manille à 45°

4.2.3.3. Précontrainte de boulon

La précontrainte de boulon consiste à associer aux surfaces des filets des vis qu’on suppose ‘liées

totalement’ avec le filetage intérieur une valeur de couple de serrage recommandé par l’API (3). A

cette valeur de couple on associe une force de serrage calculée par une équation donnée aussi dans

l’API 6A Annexe D, fonction du filetage de la vis, du couple, du coefficient de lubrification….

Figure 34 - Précontraintes de boulon


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4.2.4. Résultats

La caractéristique la plus importante pour interpréter les résultats est la limite d’élasticité (Yield

strength) du matériau, .

De la même manière que pour les charges de design, DNV et ABS imposent plusieurs critères pour la

lecture des résultats, en particulier que la contrainte équivalente de Von Mises soit inférieure à:

DNV ABS

Critère pour la contrainte VM

Au final, voilà les contraintes obtenues sur la lifting plate, où sont en rouge les contraintes

supérieures à la limite d’élasticité (de 75000 psi pour le matériau de la Lifting Plate) et en orange

celles supérieures au critère DNV, qui est le plus contraignant.

Figure 35 - Résultat : contrainte équivalente de Von Mises.

On voit que les contraintes sont supérieures au critère au niveau des trous de passage des vis de

maintien de la LP sur un volume relativement restreint. Dans ce cas-là, l’ASME (4) (American Society

of Mechanical Engineers) recommande une vérification en faisant une linéarisation de contrainte sur

le schéma critique.


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Figure 36 - Zoom sur la zone critique

Le chemin critique est la trajectoire allant de la contrainte maximale de Von Mises sur l’épaisseur de

la LF. Sur ce chemin, l’ASME Section VIII-Division 2 Annexe 4 impose que la General Membrane soit

inférieure à la Design Stress Intensity :

La General Membrane est définie comme étant égale à la valeur moyenne de contrainte normale le

long de l’épaisseur d’une section.

La Design Stress Intensity est donnée dans les tableaux de l’ASME et est utilisée pour déterminer

plusieurs critères (Membrane, flexion…).

Lors du tracé du chemin critique, il faut bien veiller à ce que le point de départ de la trajectoire soit le

maximum de la contrainte équivalente de VM. Pour cela, il faut s’aider de la fonction « Aligner sur les

nœuds du maillage ».


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Figure 37 - Contrainte linéarisée

Figure 38 - Résultat de la contrainte linéarisée

Au final, on observe sur le graphe que la membrane est de 19609 psi (ordonnée de la ligne

horizontale rouge), ce qui est inférieur à la Design Stress Intensity. Le design est donc validé.

19609 psi en ordonnée


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Pour le cas à 45 degrés, le processus est le même : faire apparaître les zones au-dessus de la limite

d’élasticité et linéariser pour comparer la valeur de la Membrane à celle de la Design Stress Intensity.

Le design est validé si la LP respecte les critères pour la SWL donnée, ici 25 tonnes. De plus, il faut

diminuer la SWL jusqu’à une valeur où la LP respecte les critères pour 45 degrés.

4.3. Comparaison avec les anciens calculs de Lifting Plates Pour conclure sur cette partie, nous présentons un calcul typique que l’on pouvait avant avoir pour

une Lifting Plate.

Figure 39 – Conditions aux limites simplifiées

Sur la figure 39, on a en rouge la charge appliquée sur la surface intérieure de trou de passage de la

manille et en bleu le support fixe appliqué sur le trou de passage des vis de maintien. Par conséquent

le contact LP/manille n’est pas pris en compte ainsi que l’écrouissage qu’il peut s’en suivre. Par

ailleurs, en théorie les vis de maintien ne viennent pas en contact avec les quatre trous de passage de

la LP, mais c’est le serrage au couple de l’écrou de la vis qui assure le maintien.

Voilà le résultat obtenu pour la contrainte de Von Mises :


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Figure 40 – Contrainte équivalent de Von Mises sur la lifting plate avec un modèle basique

On peut observer que le maximum de contrainte n’est pas obtenu au niveau du contact LP/manille si

la manille avait été représentée. De plus, on n’observe pas au niveau des trous de passage des vis les

concentrations de contrainte présentes dans le modèle avec l’assemblage total.

Par conséquent, on peut imaginer que ce type de calcul rapide peut être utile lors d’une phase de

conception pour valider les principales dimensions, mais il ne peut pas être fait pour une certification

d’un design fini.


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5. TRAVAIL SUR LES LIFTING FRAMES

5.1. Introduction Les Lifting Frames sur lesquelles j’ai travaillé sont des pièces fabriquées pour soulever un type de

BOP stack bien particulier composé :

D’un BOP annulaire 18-3/4’’ 10K en partie supérieure de stack,

De deux BOP doubles cavités 18-3/4’’ 15K en-dessous de l’annulaire.

Figure 41 - Description d'un assemblage BOP stack

Le client, Keppel Fels, a besoin de soulever ses stacks en service sur des plates-formes pétrolières

pour différents types de manœuvre :

Changement de stack,

Installation du wellhead une fois les opérations de forage terminées

Déplacement de la zone de test (test stump) à la zone de forage…

La zone de travail autour du trou de forage, appelé rig, est un espace complexe rempli de différents

pièces qui vont directement influencer le design d’une lifting frame. On y trouve :

BOP double inférieur

BOP double supérieur

Lifting Frame entourant

le BOP annulaire

Points de levage

Lignes Choke & Kill


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L’aire de stockage du stack,

Les ponts roulants de levage,

Le(s) stack(s),

Les différentes lignes de circulation des fluides (boue et pétrole)

La salle de contrôle…

Figure 42 - Vue générale d'un rig sur lequel est utilisé le BOP stack

Figure 43 - BOP stack avec à son sommet une Lifting Frame monté sur le pont roulant d'un rig


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De manière générale, voilà les points très importants qu’il faut savoir sur le design des LF pour

Keppel Fels :

La LF est composée de deux parties qui se font face et qui viennent encercler le BOP

annulaire. Ces deux parties sont maintenues en position par des dizaines de vis :

Figure 44 - Assemblage de la Lifting Frame sur le BOP annulaire

Le LF possède en son centre une pièce annulaire (bevelled support ring) présentant un

chanfrein qui viendra au contact d’un autre chanfrein complémentaire présent sur le BOP

annulaire pour le soulever :

Figure 45 - Zone de contact (chanfrein en bleu) entre la Lifting Frame et le BOP annualaire


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Lorsque la LF n’est pas en utilisation (c’est-à-dire lorsque l’on ne l’utilise pas pour soulever le

stack), une plaque vissée au haut de la LF, appelée retaining plate, empêche la LF de tomber

en venant au contact du haut du BOP. Le calcul de cette retaining plate ne fait pas l’objet de

l’étude.

Différents goussets de renforcement viennent consolider la structure qui est censée lever

plus de 100 tonnes :

Figure 46 - Les différents points de levage de la Lifting Frame / Gousset de renforcement en vert

Le client demande, en plus des points de levage principaux, des points de levage de sécurité

au cas où l’un des points de levage cassent,

Chacune des deux moitiés d’une LF, étant donné qu’elle possède une géométrie complexe

faite de successions de plaques horizontales et verticales, est assemblée par soudure.

Les architectures des LF peuvent légèrement changer selon le nombre de points de levage voulu, la

SWL demandée…Cependant elles ont toutes la silhouette arrondie encerclant le BOP annulaire

décrite ci-dessus.

Dans le cas de Keppel Fels, la première LF, appelée BUFFALO (à cause de son allure pesante), a été

dessinée au BE de Béziers il y une petite dizaine d’années. Par la suite, Keppel Fels a fait une autre

demande qui demandait un autre design, car le rig où se trouvait le stack était trop différent. La

nouvelle LF dessinée s’appelle LONG HORN.

Aujourd’hui, le nombre de commandes de Keppel Fels est important : plus d’une dizaine. Pour

certaines, un nouveau design sera indispensable.

Point de levage principal

Point de levage de sécurité


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L’objectif de mon stage est de définir les différents paramètres qui influencent le design d’une LF.

Une fois trouvée, il faut préparer les modèles CAO de ces différentes LF en vue de faire leur calcul

pour différentes SWL. En effet, comme chaque rig diffère l’un de l’autre et que les stacks sont de plus

en plus lourds (à cause d’ajouts de matériels de performance), il faut pouvoir s’assurer à l’avance que

les LF sont aptes à soulever la SWL demandée.

En conclusion, il faut pouvoir préparer un document qui en fonction d’une demande client permette

de se fixer très tôt sur le choix d’architecture de la LF.

J’ai tout d’abord commencé par étudier les commandes de la BUFFALO et de la LONG HORN pour

comprendre les différents paramètres qui influent sur son design. Les commandes sont l’ensemble

des documents (questions/réponses entre BE et client, dessin de définition, photographies du rig,

ordre de travail…) qui permettent de faire avancer le design, et CAMERON les conserve dans ces

archives. Ces commandes permettent de s’apercevoir que la communication entre le BE et le client

n’est pas forcément évidente, mais au final j’ai pu étudier les différents paramètres qui influent sur le

design d’une LF.

5.2. Paramètres influençant le design de la Lifting Frame

5.2.1. Entraxe des points de levage

La LF doit pouvoir soulever le stack. Pour cela, on passe des manilles à travers les points de levage de

la LF qu’on vient ensuite soulever par les élingues du pont roulant.

Par conséquent, l’implantation du pont roulant sur le rig va directement fixer la valeur de l’entraxe

des points de levage. En effet, on souhaite que les élingues portent verticalement le stack.


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Figure 47 – Vue d’un rig en coupe : BOP stack (à gauche) avec le pont roulant (en haut à droite)

Le problème est que l’implantation du pont roulant varie selon les rigs, et qu’il n’existe

apparemment pas de normes qui standardisent l’écart entre les deux ponts roulants. En revanche, on

sait que :

au minimum l’entraxe des points de levage, noté L sur la figure 45, doit être supérieur au

diamètre extérieure maximale de la LF, soit 2200 mm.

l’entraxe des ponts roulants de la LONG HORN est l’un des plus grands que l’on peut avoir

sur un rig.

Au final, j’ai retenu seulement la cas le plus défavorable, ce qui nous évite de faire trop de calculs.

L’entraxe retenu est donc :

4368 mm (entraxe LONG HORN)

Pont roulant du rig


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5.2.2. SWL de la Lifting Frame

Au minimum, la LF doit supporter le poids de :

BOP annulaire 18-3/4’’ 10K (x1) ≈ 22000 kg

BOP double cavités 18-3/4’’ 15K (x2) ≈ 51000 kg

Lifting Frame (x1) ≈ 10000 kg (pour la plus lourde, la LONG HORN)

Autres accessoires ≈ 10000 kg

Total ≈ 93000 kg

En outre le BOP peut être amené à soulever d’autres pièces. Par exemple, une des

commandes de Keppel Fels demande aujourd’hui deux plates-formes de travail pour accéder à

chacune des cavités des BOP. En plus de cela, les BOP seront équipés de Tandem Booster, des

produits qui permettent d’augmenter la poussée des RAM qui viennent couper ou étancher le tube

de forage. La SWL voulue par KP est donc de 100 tonnes, et ce cas-là est un des plus défavorables

que l’on puisse rencontrer : on pourra difficilement ajouter plus d’équipements sur le stack.

Attention cependant aux tubes de raccord hydraulique qui pèsent très lourd et peuvent créer un

effort excentré. Les coefficients de sécurité des certificats sont alors indispensables à prendre en

compte.

Au final, la SWL critique à soulever est :

100 tonnes

5.2.3. Elévation des points de levage

Figure 48 - Elevation de la Lifting Frame

Elévation

Lifting Arm


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L’élévation des points de levage représente la hauteur entre le contact BOP annulaire/LF et les points

de levage. Ce paramètre est important car il joue directement sur la flexion des Lifting Arms.

L’élévation maximale est limitée par l’interaction entre le bas de la LF et les Bonnets du premier BOP.

Le pire des cas est atteint grosso modo avec la LONG HORN (à noter que la LF n’est pas forcément

assemblée dans l’axe des RAM, en partie en raison de l’interaction possible citée ci-dessus).

Figure 49 - Interaction entre la Lifting Frame et le stack

Ci-dessous l’élévation retenue pour les calculs est :

1386,8 mm (élévation BUFFALO)

5.2.4. Orientation Main Lifting Points / Emergency Lifting Points

Le client demande à ce que la LF puisse avoir des points de levage de sécurité (Emergency Lifting

Points) dans le cas où les Main ne peuvent pas être utilisées. Cela implique que la LF soit dessinée de

manière à ce que les Emergency Points puissent lors du calcul supporter seules la charge du stack.

Ces Emergency Points doivent être manutentionnés avec les mêmes ponts roulants que pour les

Main, par conséquent leur position est conditionnée par l’entraxe du pont. Cependant l’angle que

l’axe des Emergency fait avec l’axe des Main est variable, et si cet angle est trop grand, la LF risque de

ne pas être assez solide.


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Figure 50 - Orientation des points de levage

La distance minimale entre un point Main et un point Emergency dépend directement de la

géométrie du pont roulant. De la même manière que pour l’entraxe du pont roulant, cette distance

peut varier d’un rig à l’autre sans pouvoir prédire sa valeur.

Cependant le paramètre d’orientation n’a pas été retenu pour les calculs car on a fait l’hypothèse

que si le nouveau design permet une meilleure résistance sur les points de levage principaux, il le

permettra aussi sur les points de levage de sécurité. En effet, même si l’entraxe entre les points de

levage de sécurité est supérieur à celui des points de levage principaux, le plan de levage de sécurité

n’est pas confondu avec le plan d’assemblage des vis, ce qui réduit le glissement des plaques et

assure une meilleure solidité.

Point de levage principal

Point de levage de sécurité

Axe du pont roulant Plan de levage de sécurité

Plan de levage principal


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5.3. Calcul des Lifting Frame existantes : « BUFFALO » et « LONG

HORN »

5.3.1. Calcul sur le design « BUFFALO »

La BUFFALO est la Lifting Frame type à partir de laquelle on travaille pour tout nouveau dessin de LF.

Il a fallu la calculer selon les recommandations DNV et ABS. La première chose à faire a été de

redessiner dans la CAO une à une les pièces de l’assemblage car comme les pièces sont soudées, les

contacts ne sont pas présents pour laisser le passage du talon à souder. Or pour le calcul il faut

calculer l’assemblage fini, c’est-à-dire soudé.

Il a donc fallu rajouter de la matière à certains endroits, et en enlever à d’autres : certains alésages et

arrondis qui n’ont pas d’incidence sur le levage mais qui facilitent le maillage.

Figure 51 – Travail de la Lifting Frame à modéliser sous Ansys


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De la même manière que pour les LP, j’introduis rapidement le travail qui a été fait sous ANSYS pour

le calcul par éléments finis :

5.3.1.1. Contacts

Contacts ‘liés’ entre toutes les pièces soudées de chaque moitié,

Contacts ‘avec frottement’ entre les deux moitiés,

Contacts ‘avec frottement’ entre les écrous des vis de serrage qui retiennent les deux moitiés

de la LF.

Contact ‘avec frottement’ au niveau du chanfrein entre le BOP annulaire et la LF.

Figure 52 - Contact 'avec frottement' entre le BOP annulaire et la Lifting Frame


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5.3.1.2. Conditions aux limites

Le support fixe est mis sous le BOP annulaire pour simuler le poids du stack :

Figure 53 - Support fixe en bleu

Les forces sont ajustées sur les manilles :

Figure 54 - Force représentant la SWL sur les manilles


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Les précontraintes de boulon sont mises sur toutes les vis qui permettent le maintien au contact des

deux moitiés de LF :

Figure 55 - Précontrainte de boulon

5.3.1.3. Résultat

Voilà le résultat de la contrainte équivalente de Von Mises sur la structure soudée dont les pièces ont

une limité d’élasticité de 50000 psi. On peut voir que la LF a une bonne tenue à la charge : les zones

en rouge, c’est-à-dire au-dessus de la limite d’élasticité, sont très locales :

Figure 56 – Résultat : Contrainte équivalente de Von Mises sur BUFFALO


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5.3.2. Calcul sur le design « LONG HORN »

Voilà les résultats obtenus pour la LONG HORN lorsqu’on lève avec les points de levage Main :

Figure 57 - Résultat : Contrainte équivalente de Von Mises sur LONG HORN

On observe que la zone rouge (au-dessus de la limite élastique) est bien plus importante que celle

pour la BUFFALO. Elle se trouve dans un axe orthogonal à l’axe des points de levage, due à la flexion

de la LF. Ainsi on se rend compte de trois choses :

La LONG HORN, qui a un entraxe et une élévation plus importante que la BUFFALO, se

comporte moins bien que la BUFFALO : pour une même charge, les concentrations sont plus

importantes. Ceci confirme bien que l’entraxe et l’élévation sont des paramètres limitant la

résistance de la LF.

La LF ne travaille pas en compression comme elle devrait être amenée à le faire en soulevant

le stack. Ceci est dû au fait que le contact entre le BOP annulaire et la LF est un chanfrein à

45° et pas un appui plan horizontal.

La LONG HORN telle qu’elle est dessinée aujourd’hui ne peut pas être certifiée DNV car les

zones où la contrainte de Von Mises est au-dessus de la limite d’élasticité sont trop

importantes. Il va falloir la renforcer pour qu’elle puisse être certifiée. Un nouveau design est

nécessaire.


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5.3.3. Première piste pour un nouveau design : Calcul sur une version avec contact

plan entre la LF et le BOP annulaire

Figure 58 - Nouveau design de la LF LONG HORN

Figure 59 - Nouveau design de la LF LONG HORN (2)


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Pour observer l’incidence du contact à 45° entre le BOP annulaire et la LF, j’ai lancé un calcul avec

une LF légèrement redessinée :

Contact LF/BOP annulaire : appui plan au lieu d’un chanfrein à 45°

Certains goussets de renforcement qui avaient été soudés inclinés ont été redessinés

verticalement. Il faut en tenir compte lors de ce changement que l’écart entre ces goussets

et le BOP annulaire doit permettre le passage d’une clé de fermeture des vis sur la bride

inférieure du BOP annulaire.

Voilà la contrainte équivalente de Von Mises obtenu avec ce nouveau design pour une même charge.

La LF est nettement plus solide, et on n’observe pas les concentrations de contrainte de flexion

observées auparavant. Ce design pourrait tout à fait être certifié.

Figure 60 - Résultat : Contrainte équivalente de Von Mises pour la LF LONG HORN redessinée

Cette esquisse de nouveau design est sommaire, par exemple il ne faut pas oublier que l’arrivée de

la pression qui permet la déformation de l’élastomère du BOP annulaire se fait par un trou présent

sur l’appui inférieur du BOP. Mais on peut imaginer faire une encoche dans la circular base plate de

la LF pour permettre la connexion au trou du BOP.

Ce design a déjà fait ses preuves sur d’autres types de stack : les 13’’. Toutefois, certains collègues

craignaient que l’appui empêche le passage de la clé qui permet le serrage de la bride inférieure du

BOP annulaire et le haut du BOP double. En effet, après avoir fait une chaîne de côte, on peut


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s’apercevoir que la clé est en interférence avec la tôle qui permet le contact plan. Cette interférence

est visualisable sur la figure ci-dessous :

Figure 61 – Interférence sur le nouveau design

Par conséquent, l’idée d’un changement de zone de contact entre la LF et le BOP annulaire est

abandonnée. Dans le même ordre d’idée, on aurait pu imaginer redessiner le BOP annulaire au lieu

de la LF afin d’usiner un appui horizontal au lieu d’un chanfrein directement sur le BOP annulaire.

Cependant, le design des BOP annulaires n’est pas de la responsabilité de Béziers mais de Houston,

donc il faut imaginer une autre solution pour consolider la LF.

Figure 62 – Clé de serrage au couple

Bride inférieure du BOP annulaire

Vis de serrage entre le BOP annulaire et le

BOP double

Tôle qui permet le contact plan

entre BOP annulaire et LF

Clé de serrage

Interférence entre la

clé de serrage et la LF


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Il faut quand même garder cette idée en tête, car si la clé de serrage utilisée change dans le futur et

si elle est moins épaisse, on pourra reprendre cette idée de contact plus favorable à la résistance de

la Lifting Frame.

5.3.4. Deuxième piste pour un nouveau design : insérer une rondelle entre le BOP

annulaire et la Lifting Frame

L’idée est d’insérer une rondelle fabriquée en un acier ayant une limite élastique plus importante que

celle de la LF (50000 psi) et qui puisse recevoir la charge du BOP stack. La rondelle servirait donc de

tampon entre la LF et le BOP annulaire et diffuserait ainsi des contraintes moins importantes à la LF.

Figure 63 - Rondelle intermédiaire au contact du BOP annulaire

Cependant le résultat n’a pas été celui espéré : les contraintes étaient localisées au même endroit et

du même ordre de grandeur :

BOP annulaire

Rondelle

Lifting Frame


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Figure 64 - Résultat : Contrainte équivalente de Von Mises avec rondelle intermédiare

J’ai alors pensé que ce n’était pas tant le contact appui plan qui améliorait la résistance du design

que l’élévation moins importante entre les points de levage et le contact :

Figure 65 - Diminution de l'élévation

On a alors dessiné une rondelle plus haute qui viendrait en haut au contact du BOP annulaire et en

bas au contact de la tôle horizontale inférieure afin de réduire l’élévation :

Elévation design de base

Nouvelle élévation


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Figure 66 - Nouvelle rondelle pour diminuer l'élévation

Toutefois les résultats n’étaient toujours pas convaincants. La dernière idée au niveau d’un design

avec rondelle a été d’élargir à la base de de la rondelle le contact avec la tôle de façon à mieux

répartir les contraintes. Mais l’assemblage de la rondelle avec le BOP annulaire aurait été très

compliqué.

Figure 67 - Nouvelle rondelle pour diminuer l'élévation et élargir la zone de contact

Elargissement du contact rondelle/LF

BOP annulaire

Rondelle

Lifting Frame

BOP annulaire

Rondelle

Lifting Frame


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5.3.5. Nouveau design retenu pour la Lifting Frame

Après cette idée de rondelle, et aussi d’ajout de plaque de consolidation que je n’ai pas introduit car

les résultats n’étaient pas satisfaisants, nous sommes partis sur une design différent. L’idée était

d’enlever les plaques qui sur le design initial était soumises à des contraintes élevées et de consolider

la structure restante pour compenser leur disparition.

Les plaques qui ont été enlevées sont la plaque horizontale annulaire supérieure qui était l’objet des

plus forte contraintes ainsi que les parties supérieures des goussets verticaux. En effet ces plaques

étaient les plus contraintes car elles étaient le plus éloignées de l’endroit où était appliquée la force :

par conséquent le bras de levier et donc la contrainte de flexion était au maximum.

Pour compenser, les plaques horizontales circulaires ont été épaissies, en particulier celle qui est au

contact du BOP annulaire. Le diamètre extérieur de cette plaque a aussi été agrandi, pour diffuser les

contraintes.

Il a aussi fallu repositionner les vis de maintien des deux moitiés car certaines des plaques ont

disparu.

Figure 68 - CAO du nouveau design de la Lifting Frame


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Voilà la contrainte équivalente de Von Mises obtenu sur la LF :

Figure 69 - Comparaison de la contrainte équivalente de Von Mises : nouveau design en haut, design original en bas


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Figure 70 - Comparaison des volumes où la contrainte est supérieure au critère

Sur le nouveau design, on peut voir que les volumes au-dessus du critère des organismes de

certification sont bien moins répandus que celui du design original. Les dernières contraintes sont les

zones comprimées par les têtes des écrous des vis, et la zone du contact entre la LF et le BOP

annulaire. A ce niveau-là les contraintes sont de type écrouissage (bearing), c’est-à-dire que

superficiellement le métal va se durcir sous l’effet de sa déformation plastique. Ces contraintes, dans

une certaine limite, ne nuisent pas à la solidité de la Lifting Frame. L’ASME (ASME Section VIII)

propose un critère d’acceptabilité pour les contraintes d’écrouissage :


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De plus, pour améliorer encore cet écrouissage au niveau du contact nous pouvons reprendre l’idée

d’une rondelle intermédiaire pour encaisser le durcissement.

Une dernière chose très importante est que les calculs sur Ansys ont été faits avec une matière

linéaire, c’est-à-dire que sa courbe déformée/contrainte est simplifiée car elle est considérée comme

une seule droite (courbe en bleu qui se prolonge en pointillée) :

Figure 71 - Courbe déformée/contrainte d'un acier

Par conséquent, toutes les contraintes au-dessus de la limite élastique sont surévaluées, car en

réalité les aciers suivent une courbe déformée/contrainte qui a l’allure de la courbe pleine bleu puis

rouge. Ainsi, une fois que le design est figé le calcul est relancé avec une matière bilinéaire (courbe

bleu pleine puis courbe rouge pointillée) qui permet d’obtenir des résultats plus fidèles et surtout

plus avantageux par rapport aux critères.

Pour finir, la LF de ce nouveau design pèse environ une tonne de plus que le design initial. Cet ajout

ne compromet pas la capacité à soulever la SWL, mais il faut toutefois continuer à optimiser le

nouveau design. En effet, la LF est maintenant plus solide, donc il faut chercher si on ne peut pas

enlever de la matière sur la LF qui n’est pas utile à sa résistance.

Déformée

Contrainte


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6. CONCLUSION

Le design de la Lifting Frame introduit ci-dessus a été fait de telle manière qu’elle puisse résister à un

entraxe, une élévation et un poids critique. Ainsi on peut a priori être sûr que pour une commande

ayant ces trois paramètres en-dessous de leur valeur critique, sa certification par DNV et ABS est

assurée. Et vu l’étude de ces paramètres, on peut supposer que la grande majorité des commandes

sera dans ce standard.

Ce travail sur des produits de levage d’ensembles très lourds m’a aussi permis d’apercevoir les

contraintes imposées par la certification. Ces contraintes permettent d’être sûr de la qualité et de la

résistance des produits fabriqués, mais aussi de se couvrir en cas de problème. Par exemple, si l’un

des points de levage a un problème en cours de manutention, l’incident sera certainement la

conséquence d’un défaut des élingues ou des manilles, mais le produit CAMERON sera certifié apte

au levage.

Toutefois, ces résultats demandent des développements complémentaires. D’une part les points de

levage de sécurité n’ont pas été calculés, ce qui est un travail additionnel à faire en vue de la

certification. D’autre part, l’orientation de ces mêmes points de levage de sécurité n’a pas été

étudiée, et en fonction des ponts roulants on pourra être amené à calculer des LF avec des points de

levage plus éloignés et plus contraignants. Toujours est-il que les progrès réalisés entre les deux

designs au niveau des points de levage principaux iront dans le même sens pour les points de levage

de sécurité.

De plus, les résultats dépendent fortement du maillage et encore plus des conditions aux limites. Vu

qu’un calcul de LF dure environ 4 heures, j’ai parfois été amené à faire des simplifications pour

parvenir au bout du calcul. Dans ce cas-là il faut faire les bonnes hypothèses sur les conditions aux

limites pour simplifier le modèle et avoir des résultats toujours viables. Ensuite, et bien entendu c’est

la meilleure solution, avoir un meilleur matériel. En effet deux semaines avant la fin de mon stage on

a eu à disposition un ordinateur portable avec une nouvelle version d’Ansys qui terminait les calculs

de 4 heures en environ 40 minutes. Avec un tel matériel dès le début de mon stage j’aurais pu faire

plus de calculs.

Enfin, la partie la plus délicate de ces travaux de calculs par éléments finis est l’interprétation des

résultats. En effet, il arrive souvent que les contraintes soient supérieures à la limite élastique. Dans

ce cas-là il faut identifier comment réagit la LF à l’effort pour comprendre quels types de contraintes

sont en jeu. Après cela les différentes documentations précisent dans quelle limite ces contraintes

sont tolérables.

Plus globalement, ce Projet de Fin d’Etude a été plus intéressant que mon stage technicien à

CAMERON en particulier au niveau des échanges que j’ai eu avec mes collègues pour discuter de la

viabilité des idées de design. En effet, il n’est pas évident de juger de l’intérêt de ses propres idées

quand on a en face de soi des personnes qui ont plus de vingt ans d’ancienneté dans le métier et qui

pensent différemment. Pour cela, le responsable du Bureau d’Etude a organisé une réunion pour

parler de ce projet (une design review) avec les dessinateurs de LF, mon tuteur, le responsable des


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commandes et lui-même. Durant cette réunion nous devrons expliquer les choix qui nous ont

poussés à orienter différemment le design et nous écouterons leur commentaire pour savoir si nous

pouvons continuer dans ce sens-là, ou bien si nous avons d’autres pistes à creuser.

L’intérêt de ces échanges est qu’ainsi, la LF sera conçu avec à la fois une vision de dessinateur et une

vision de calculateur. Grâce aux travaux joints des dessinateurs et des calculs de pré-

dimensionnement que j’ai fait, l’objectif est de concevoir des LF sans risque vis-à-vis de la

certification. Le calcul fait ainsi pleinement parti du processus de conception, et ce n’est plus

seulement une étape qui se trouve après l’étape de dessin où on espère que le produit pourra être

certifié.

7. BIBLIOGRAPHIE

(1) DNV-OS-E101 « Drilling Plant », October 2009 et DNV No.2.22 « Lifting Appliances » , October

2008

(2) ABS « Certification of Drilling Systems », July 2006

(3) API « Specification for Drill-through Equipment », December 2004

(4) ASME « Boiler & Pressure Vessel Code » Section VIII Division 2, 1998

Documents

Projet de Fin d’Etudes - ESPEILLAC Sylvain – GM5EIeprints2.insa-strasbourg.fr/1094/1/GM5EI-2012-ESPEILLAC-memoire.pdf · pouvoir très tôt - dans le traitement de la commande