Quelle est l’efficacité de la compensation de pilonnement passive ?

Elle dépend de la raideur du ressort, du réglage de l’amortissement, de la longueur de course et de l’adéquation à la charge. Le rapport de mouvement entre la charge et le crochet peut être estimé à partir de la période des vagues, du rapport gaz/huile, de la course et des propriétés de la charge — un PHC bien dimensionné ne transmet qu’une fraction du mouvement du crochet, et l’objectif de conception est de maintenir la période naturelle du système bien au-dessus des périodes de vagues de l’opération.

Quand un compensateur passif est-il préférable à un système actif ?

Lorsque le travail consiste à absorber le mouvement induit par les vagues lors du franchissement de la zone de marnage, de poses sous-marines, de tensionnement ou de récupération : les systèmes passifs ne nécessitent aucune alimentation externe, présentent moins de modes de défaillance et leurs performances sont prévisibles par la physique. Les systèmes actifs sont réservés aux cas où le mouvement résiduel doit être activement amené vers zéro.

Quel compensateur Norwegian Dynamics convient à quel levage ?

RIGEL est l’unité passive de base (55–1,000 t) pour les tâches simples en zone de marnage et de compensation ; ANTARES ajoute une commande automatique de l’amortissement et la capacité de levage rapide (30–4,000 t) pour les levages exigeants à plusieurs phases ; CYGNUS couvre les levages lourds et en grande profondeur de 12.5 à 10,000 t.

Compensateur de pilonnement passif RIGEL suspendu verticalement en ligne sur le câble de la grue alors que la charge franchit la zone de marnage au crépuscule

Compensation de pilonnement passive

Un ressort à gaz et un amortisseur entre le crochet et la charge — sans alimentation externe.

Principes de la compensation de pilonnement passive

Q: Quels sont les composants principaux d’un compensateur de pilonnement passif ?

Trois éléments : un ressort à gaz d’azote qui supporte le poids de la charge, un vérin hydraulique dont l’huile s’écoule par des orifices contrôlés, et des clapets d’amortissement qui limitent le débit pour dissiper l’énergie des vagues.

Par Tord Martinsen, PDG · octobre 2025

Application pratique : Pour l’application pratique de ce sujet, consultez RIGEL PHC de base et ANTARES PHC adaptatif.

La compensation de pilonnement passive (PHC) est une technique employée dans les opérations offshore pour réduire le mouvement vertical transmis d’un crochet de grue à une charge suspendue. Elle fonctionne sans alimentation externe grâce à un système de ressort à gaz et d’amortisseur hydraulique qui absorbe le mouvement induit par les vagues.

Lorsqu’un navire se déplace verticalement avec les vagues, le crochet de la grue le suit. Sans compensation, la charge subit le même mouvement — créant des charges dynamiques dangereuses lors du franchissement de la zone de marnage, des poses sous-marines et d’autres opérations critiques. Un compensateur de pilonnement passif agit comme un tampon en absorbant une grande partie de ce mouvement.

Vous comparez des systèmes ? Comparez les compensateurs de pilonnement passifs — RIGEL, CYGNUS et ANTARES — plages de capacité, commande de l’amortissement et dimensionnement de chacun selon DNV-RP-N202.

Comment fonctionne un compensateur de pilonnement passif ?

Un PHC comporte trois composants principaux :

Ressort à gaz — de l’azote sous pression fournit une force de ressort qui supporte le poids de la charge
Vérin hydraulique — contient de l’huile qui s’écoule par des orifices contrôlés
Clapets d’amortissement — limitent le débit d’huile pour assurer l’amortissement et dissiper l’énergie des vagues

Applications principales

Franchissements de la zone de marnage — réduction des charges dynamiques lorsque la charge traverse la zone des vagues
Poses sous-marines — maîtrise de la vitesse de pose pour un positionnement précis
Évitement de la résonance — prévention de l’amplification du mouvement à certaines périodes de vagues
Tensionnement — maintien d’une tension constante dans les câbles ou risers
Amortissement des chocs — protection de la charge et de la grue contre les charges d’impact

Facteurs de performance du PHC

L’efficacité d’un compensateur de pilonnement passif dépend de la raideur (tarage du ressort), du réglage de l’amortissement, de la longueur de course et de l’adéquation au poids de la charge.

Comment la compensation de pilonnement passive réduit-elle la vitesse de pose ?

Le pilonnement désigne le mouvement vertical, dans notre contexte le mouvement vertical du crochet de la grue, provoqué par les vagues. La compensation de pilonnement passive peut être vue comme un système ressort-masse-amortisseur ayant pour objectif de réduire le mouvement induit par les vagues sous le compensateur. Le schéma simplifié ci-dessous illustre notre scénario :

Figure 1 — Le modèle simplifié à la base de la dérivation. Le crochet de la grue impose ζ cos(ωt) ; le PHC apporte la raideur k (amortissement négligé, conformément à la liste d’hypothèses ci-dessous) ; la charge immergée de masse m, de densité ρ et de section A⊥ subit le poids mg, la poussée d’Archimède F_B et la masse ajoutée m_A dans une eau de densité ρ_w. z positif est vers le bas.

Le mouvement du crochet de grue suit la sinusoïde donnée par $\zeta \cos(\omega t)$ , le PHC a pour raideur $k$ , l’eau a pour masse volumique $\rho_w$ , tandis que la charge a pour propriétés principales $\rho, m, A_\perp$ , respectivement la masse volumique, la masse et la surface perpendiculaire au mouvement de pilonnement.

Puisque nous supposons dans cet exemple que la charge est sous-marine, il est important de prendre en compte la poussée d’Archimède, la traînée et la masse ajoutée qui l’affectent. Ces trois effets peuvent améliorer les performances du PHC.

Masse ajoutée

m_A = \rho_w C_A V_R

Où $C_A$ est le coefficient de masse ajoutée (disponible dans DNV RP-N103) et $V_R$ est le volume de référence.

Traînée

F_D = \tfrac{1}{2}\rho_w C_D A_\perp \dot z |\dot z|

Où $C_D$ est le coefficient de traînée et $\dot z$ est la vitesse verticale de la charge.

Poussée d’Archimède

F_B = \rho_w V g

Où $V$ est le volume déplacé de la charge et $g$ est l’accélération de la pesanteur.

Ressort à gaz du PHC

Nous pouvons définir une raideur moyenne du ressort à gaz du PHC comme la différence de force entre la course d’équilibre et la course complète, divisée par la variation de course :

k = \frac{p_1 A_0 – p_0 A_0}{\Delta S}

Où $p_0$ est la pression d’équilibre et $A_0$ est la surface du piston du PHC.

Supposons ce qui suit :

La longueur de course complète est $S$ , et nous sommes à mi-course à l’équilibre.
Nous utilisons la loi des gaz parfaits avec compression adiabatique pour calculer la variation de pression.
La force d’équilibre doit être égale à la force de pesanteur moins la poussée d’Archimède.

Ces hypothèses donnent :

k = \frac{(\rho – \rho_w) \, V \, g}{0.5 \, S} \left[ \left( \frac{V_{\mathrm{eq}}}{V_{\mathrm{eq}} – 0.5 \, A_0 \, S} \right)^\gamma – 1 \right]

$\gamma$ est l’exposant adiabatique.

Nous pouvons également supposer que le volume d’équilibre se définit ainsi :

V_{\mathrm{eq}} = (R – 0.5) \, A_0 \, S

Où $R$ est le rapport gaz/huile, généralement compris entre 2–12 pour un PHC. Une valeur plus élevée de $R$ correspond à un ressort plus souple.

Nous obtenons alors l’expression suivante pour la raideur du PHC $k$ :

k = \frac{2 (\rho – \rho_w) \, V \, g}{S} \left[ \left( \frac{R – 0.5}{R – 1} \right)^\gamma – 1 \right]

Ce que nous pouvons réécrire ainsi :

k = \frac{2 \, m \, g}{S} \left( 1 – \frac{\rho_w}{\rho} \right) \left[ \left( \frac{R – 0.5}{R – 1} \right)^\gamma – 1 \right]

Restriction d’écoulement hydraulique du PHC

L’écoulement d’un fluide à travers une restriction s’exprime généralement ainsi :

Q = A_f \, \alpha \, \sqrt{\frac{2 \, \Delta p}{\rho}}

Où :

$Q$ est le débit volumique du fluide,
$A_f$ est la plus petite section d’écoulement,
$\alpha$ est le coefficient de perte de charge, et
$\Delta p$ est la perte de charge.

En partant de cette base, nous pouvons déterminer la force due à la restriction hydraulique :

F_h = A_0 \, \Delta p = A_0 \, \frac{\rho}{2} \left( \frac{A_0 \, \dot{S}}{A_f \, \alpha} \right)^2

Notez également que le signe de la force hydraulique dépend de l’extension ou de la rentrée de la tige.
Elle peut aussi avoir une amplitude différente en présence de clapets anti-retour.

La difficulté avec cette équation est de connaître $\alpha$ , ce qui n’est pas facile à calculer.
Il doit être déterminé par CFD ou par mesures et peut aussi dépendre de nombreuses variables.

—

Frottement des joints du PHC

Le frottement des joints est un sujet très complexe. Il dépend de nombreux facteurs, notamment :

Pression du fluide
Précontrainte de l’élément élastique
Matériau du joint
Vitesse du piston ou de la tige de piston
Rugosité de surface
Type de fluide
Largeur du joint
Configuration du joint

Il est trop complexe d’en aborder les détails dans cette brève introduction.

Équation différentielle

Appliquons maintenant ce qui précède avec les hypothèses suivantes :

Le frottement des joints est négligé (il peut être significatif en réalité).
La restriction hydraulique est négligée (elle peut généralement être faible si le PHC est bien conçu).
La traînée est négligée (pour un PHC performant, cette hypothèse est acceptable).
La raideur et l’amortissement du gréement/câble métallique sont négligés.
L’hydrodynamique du PHC est négligée.
Le poids propre du PHC est négligé.

Une solution numérique plus précise, incluant tous les éléments (et une équation d’état plus précise pour la pression du gaz), est disponible auprès de Norwegian Dynamics.

Nous pouvons appliquer la deuxième loi de Newton à la masse de la charge pour déterminer son mouvement relatif au crochet de la grue.
Supposons que le sens vers le bas soit positif :

(m + m_A) \, \ddot z = m g – F_B – k \, [ z + z_0 + \zeta \cos(\omega t) ]

Cela donne la solution en régime permanent suivante :

z(t) = \frac{k \, \zeta}{(m + m_A)\, \omega^2 – k} \, \cos(\omega t)

Nous voulons connaître le rapport entre le mouvement de la charge et celui du crochet.

\frac{z(t)}{\zeta \, \cos(\omega t)} = \frac{k}{(m + m_A)\, \omega^2 – k}

Nous pouvons alors remplacer $\omega$ par $\frac{2 \pi}{T_P}$ , où $T_P$ est la période des vagues, et remplacer $k$ par l’expression ci-dessus :

\frac{z(t)}{\zeta \cos\!\left(\frac{2\pi t}{T_p}\right)} = \frac{1}{ \displaystyle \underbrace{\left(\frac{m+m_A}{m}\right)}_{\text{Masse ajoutée}} \underbrace{\frac{\rho}{\rho-\rho_w}}_{\text{Poussée d’Archimède}} \underbrace{\frac{2\pi^2}{g\,T_p^2}}_{\text{Période des vagues}} \underbrace{\frac{S}{\left[\left(\frac{R-0.5}{R-1}\right)^{\gamma}-1\right]}}_{\text{PHC}} -1 }

Sur la base de ce rapport, nous pouvons définir l’efficacité de la compensation de pilonnement passive. Si le rapport est 0, l’efficacité est de 100% ; si sa valeur absolue est supérieure à 1, il y aura résonance. Le calculateur ci-dessous fournit une indication approximative des performances de la compensation de pilonnement passive.

Figure 2 — Rapport de mouvement tracé à partir de l’expression ci-dessus, avec la charge par défaut du calculateur (m = 100 t, m_A = 20 t, ρ = 7 850 kg/m³, S = 4.5 m) pour trois rapports gaz/huile R. Sous 1.0, le PHC isole la charge ; à T_n, il entre en résonance. Le modèle n’est pas amorti — l’amortissement réel du PHC limite le pic de résonance. L’objectif de conception est clair : un ressort plus souple (R plus élevé, course plus longue) place T_n bien au-dessus des périodes de vagues rencontrées en exploitation.

Calculateur d’efficacité de la compensation de pilonnement passive

Masse de la charge m (tonnes) :

Masse ajoutée mₐ (tonnes):

Masse volumique de la charge ρ (kg/m³) :

Période des vagues Tₚ (s):

Longueur de course S (m) :

Rapport gaz/huile R :

Nous pouvons également définir la période naturelle du PHC comme suit :

T_n = \pi \sqrt{ \frac{m + m_A}{m} \, \frac{\rho}{\rho – \rho_w} \, \frac{2S}{\,g\!\left(\left(\dfrac{R – 0.5}{R – 1}\right)^{\!\gamma} – 1\right)} }

Exemple chiffré : lecture du rapport de mouvement

Prenons un cas semblable à celui du calculateur : une charge en acier de 100 t (ρ = 7 850 kg/m³) avec 20 t de masse ajoutée, sur un PHC de 6 m de course et un rapport gaz/huile R = 12, dans des vagues de période T_p = 8 s (γ = 1.4) :

Souplesse du ressort. Le terme du ressort à gaz ((R − 0.5)/(R − 1))^γ − 1 ≈ 0.064 — un R élevé et une longue course rendent le ressort souple.
Période naturelle. T_n ≈ 16 s, nettement au-dessus des vagues de 8 s — le système fonctionne dans sa plage d’isolation.
Rapport de mouvement. L’expression ci-dessus donne ≈ 0.33: la charge subit environ un tiers du mouvement du crochet — environ deux tiers du mouvement induit par les vagues sont supprimés.

Le modèle sous forme fermée n’est pas amorti et est conservateur près de la résonance — l’amortissement réel limite le pic et ajoute une certaine transmission dans la plage d’isolation. Pour le dimensionnement, la solution numérique complète (état du gaz, amortissement, traînée, gréement) est utilisée par une CONSTELLATION.

Amortissement : type et niveau

Le ressort à gaz stocke l’énergie — l’amortisseur décide où elle va. Sans amortissement, le compensateur est un système ressort-masse qui oscillerait à sa période naturelle après chaque perturbation. Lorsque le piston se déplace, l’huile est forcée à travers des orifices ou des clapets de commande et la résistance à l’écoulement convertit l’énergie cinétique en chaleur : une force qui croît avec la vitesse, plafonnant la résonance, stabilisant les transitoires et assurant le contrôle de la vitesse de descente à la pose.

Type d’amortissement	Caractéristique	Utilisation
Linéaire	Force ∝ vitesse	Simple à modéliser — rare dans le matériel réel
Quadratique	Force ∝ vitesse²	Comportement naturel de l’écoulement par orifice — fort à vitesse élevée, doux à faible vitesse
Variable	Orifices réglables / clapets proportionnels	Amortissement modifié selon la phase opérationnelle — l’approche adaptative

TROP FAIBLERésonne dangereusement — les transitoires persistent

DANS LA PLAGE≈ 5 – 15% du critique pour une descente normale — efficacité optimale avec sécurité contre la résonance ; augmenté temporairement pour la zone de marnage et la pose

TROP ÉLEVÉLe système devient raide — le mouvement du navire se transmet, l’efficacité diminue

Amortissement variable en pratique : ANTARES ajuste automatiquement son niveau entre les phases de levage ; RIGEL et CYGNUS sont réglés manuellement sur le pont.

Autres utilisations sous-marines

Les unités de compensation de pilonnement passive peuvent aussi apporter d’autres avantages aux installations sous-marines :

Capacité à maintenir la tension du câble tout au long de la phase de pose, ce qui évite une gîte soudaine du navire.
Atténuation des charges de pointe lors du relevage de la charge.
Assurent le tensionnement lors de la récupération sous-marine pour éviter la surcharge lorsque la charge est fixée au fond marin.

Choisir le bon PHC

Norwegian Dynamics propose trois gammes de compensateurs de pilonnement passifs :

ANTARES PHC adaptatif — compensateur de pilonnement passif adaptatif avancé à commande automatique de l’amortissement, avec plusieurs modes de fonctionnement et des profondeurs nominales jusqu’à 3000m. Idéal pour les opérations exigeant performances et flexibilité.
RIGEL PHC de base — compensateur de pilonnement passif simple, fiable et économique. Idéal pour les franchissements simples de la zone de marnage et les tâches de compensation de base.
CYGNUS PHC — compensateur de pilonnement passif pour les levages lourds et en grande profondeur, avec des capacités de 12.5 à 10,000 tonnes. Idéal pour les grandes structures sous-marines et les poses en grande profondeur.

→ Besoin d’aide pour choisir ? Consultez notre Guide de sélection des compensateurs de pilonnement ou contactez nos ingénieurs.

RIGEL, ANTARES ou CYGNUS — en un coup d’œil

	RIGEL	ANTARES	CYGNUS
Type	Passif	Passif adaptatif	Passif
Amortissement	Manuel, réglé sur le pont	Commande automatique de l’amortissement	Manuel, réglé sur le pont
Plage SWL	55 – 1 000 t	30 – 4 000 t	12.5 – 10 000 t
Course	1.0 – 6.0 m	2.5 – 8.0 m	1.0 – 6.0 m
Alimentation	Sans alimentation externe	Batterie — sans ombilical	Batterie — sans ombilical
Point fort	Unité la plus simple et légère	Capacité de levage rapide	Plage de capacité lourde / grande profondeur
Certification	Conçu et classé · DNV-ST-0378 (Agrément de type en cours)	Conçu et classé · DNV-ST-0378	Conçu et classé · DNV-ST-0378
Idéal pour	Franchissements simples de la zone de marnage et compensation de base	Levages exigeants à plusieurs phases nécessitant un amortissement automatique	Levages sous-marins lourds et en grande profondeur

Guide initial — le guide de compensation de pilonnement passive ou active examine le choix question par question.

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Compensation de pilonnement passive — questions fréquentes

Qu’est-ce que la compensation de pilonnement passive ?

Une méthode pour réduire le mouvement vertical transmis du crochet de la grue à la charge, sans alimentation externe : un ressort à gaz d’azote supporte le poids tandis que l’amortissement hydraulique dissipe l’énergie des vagues.

Quels sont les composants principaux ?

Un ressort à gaz (azote sous pression), un vérin hydraulique dont l’huile s’écoule par des orifices contrôlés, et des clapets d’amortissement qui limitent le débit pour dissiper l’énergie.

Quelle est son efficacité ?

Un PHC bien dimensionné ne transmet qu’une fraction du mouvement du crochet — dans l’exemple chiffré ci-dessus, environ un tiers à T_p = 8 s. L’objectif de conception est de maintenir la période naturelle du système bien au-dessus des périodes de vagues de l’opération ; le calculateur de cette page donne une première indication.

Passif ou actif — comment choisir ?

Le passif l’emporte par sa simplicité, sa fiabilité et l’absence d’alimentation externe pour les travaux en zone de marnage, de pose, de tensionnement et de récupération ; l’actif est réservé aux cas où le mouvement résiduel doit être ramené vers zéro. La comparaison actif-passif présente les compromis.

Quel compensateur convient à quel levage ?

RIGEL pour une compensation passive simple ; ANTARES lorsque la commande automatique de l’amortissement ou le levage rapide importe ; CYGNUS pour les levages lourds et en grande profondeur jusqu’à 10 000 t. Le tableau ci-dessus les compare ligne par ligne.

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Nous dimensionnons les PHC selon la plage opérationnelle — Hs, Tp, charge, profondeur d’eau. Envoyez le cas et nous reviendrons avec un produit recommandé.

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