Levages sous-marins
Par Peter Wang, COO · Décembre 2025
Les levages sous-marins comptent parmi les opérations offshore les plus complexes, nécessitant une planification minutieuse pour tenir compte des forces hydrodynamiques qui agissent sur la charge lorsqu’elle se déplace dans l’eau. Les deux effets les plus significatifs sont la traînée et la masse ajoutée, qui augmentent tous deux le poids effectif et les charges dynamiques sur la grue et les équipements de levage.
La compréhension de ces forces est essentielle pour sélectionner le bon compensateur de heave et s’assurer que la grue dispose d’une capacité suffisante pour l’opération.
Comment la traînée affecte-t-elle un levage sous-marin ?
La traînée dans un levage sous-marin est similaire à la traînée d’une voiture due à la résistance de l’air et varie avec le carré de la vitesse. L’importance de la force de traînée dépend de la surface perpendiculaire au mouvement ainsi que du coefficient de traînée (que nous connaissons aussi des voitures qui rivalisent pour toujours avoir des coefficients de traînée plus bas afin d’augmenter l’autonomie). La principale différence avec une voiture est cependant que le fluide est de l’eau et non de l’air, qui a une masse volumique 1000 fois plus grande, ce qui est un facteur supplémentaire dans la force de traînée.
F_D = \rho_w C_D A_\perp \dot z |\dot z|
Où C_D est le coefficient de traînée (plus d’informations dans DNV RP-N103, quelques exemples ci-dessous) et \dot z est la vitesse verticale de la charge.
| Shape | C_D | A_{\perp} | Notes |
|---|---|---|---|
| Sphere | C_D = 0.5 | A_{\perp} = \pi r^2 | |
| Horiontal Cylinder | C_D = 1.2 | A_{\perp} = 2 r L | |
| Vertical Cylinder | \frac{L}{2r}=0.5 \Rightarrow C_D=1.1 \frac{L}{2r}=1 \Rightarrow C_D=0.9 \frac{L}{2r}=2 \Rightarrow C_D=0.9 \frac{L}{2r}=4 \Rightarrow C_D=0.9 \frac{L}{2r}=8 \Rightarrow C_D=1.0 | A_{\perp} = \pi r^2 | |
| Cube | C_D = 1.05 | A_{\perp} = a^2 | Face normal to flow. |
| Cone | C_D = 0.50 | A_{\perp} = \pi r^2 | Pointed tip aligned with flow; dependent on cone angle. |
| Rectangular Plate | C_D = 1.1+0.02 (\frac{L}{W}+\frac{W}{L}) | A_{\perp} = L W | Normal to flow. |
Faisons un exemple pratique pour saisir la pertinence. Supposons que vous leviez une charge en forme de plaque rectangulaire de 15 m de longueur et 10 m de largeur. La période de houle est de 8 secondes et la hauteur de vague est de 4 m, en supposant des vagues sinusoïdales. Quelle sera la force ?
Trouvons d’abord la vitesse de pointe ; le mouvement de la vague est donné par
z = \zeta \cos(\omega t)Puisque \omega = \frac{2 \pi}{T_p} nous avons une vitesse de pointe de 1,57 m/s.
Nous pouvons alors calculer le coefficient de traînée comme :
C_D = 1.1 + 0.02 \left( \frac{15}{10} + \frac{10}{15} \right) = 1.14
Notre surface de traînée est :
A_\perp = 10 \cdot 15 = 150 \,\mathrm{m^2}Comment la masse ajoutée affecte-t-elle un levage sous-marin ?
La masse ajoutée dans un levage sous-marin est très importante car elle peut provoquer une grande inertie supplémentaire, qui à son tour peut engendrer des forces dynamiques importantes. Cela vient du fait que lorsqu’une charge oscille dans l’eau en raison du mouvement de heave, elle doit également accélérer l’eau environnante, et mathématiquement cela s’exprime par :
m_A = \rho_w C_A V_R
Où C_A est le coefficient de masse ajoutée (disponible dans DNV RP-N103, quelques exemples ci-dessous) et V_R est le volume de référence.
| Shape | C_A | V_R | Notes |
|---|---|---|---|
| Sphere | C_A = 0.5 | V_R = \frac{4}{3}\pi r^3 | Constant in all directions. |
| Cylinder | \frac{L}{2r}=1.25 \Rightarrow C_A=0.62 \frac{L}{2r}=2.5 \Rightarrow C_A=0.78 \frac{L}{2r}=5 \Rightarrow C_A=0.90 \frac{L}{2r}=9 \Rightarrow C_A=0.96 \frac{L}{2r}=\infty \Rightarrow C_A=1.00 | V_R = \pi r^2 L |
Vertical motion along cylinder axis in infinite fluid. |
| Rectangular Plate |
\frac{L}{W}=1 \Rightarrow C_A=0.58 \frac{L}{W}=2 \Rightarrow C_A=0.76 \frac{L}{W}=4 \Rightarrow C_A=0.87 \frac{L}{W}=8 \Rightarrow C_A=0.93 \frac{L}{W}=\infty \Rightarrow C_A=1.00 | V_R = \frac{\pi}{4}W^2 L | Motion normal to surface. |
| Circular Disc | C_A = \frac{2}{\pi} | V_R = \frac{4\pi}{3} r^3 | Motion normal to surface. |
| Square Prism |
\frac{L}{W}=1 \Rightarrow C_A=0.68 \frac{L}{W}=2 \Rightarrow C_A=0.36 \frac{L}{W}=4 \Rightarrow C_A=0.19 \frac{L}{W}=10 \Rightarrow C_A=0.08 | V_R = W^2 L | Prismatic body with square base. |
Faisons un autre exemple pratique. Supposons que vous leviez une charge en forme de plaque rectangulaire de 20 m de longueur et 10 m de largeur. La période de houle est de 8 secondes et la hauteur de vague est de 4 m, en supposant des vagues sinusoïdales. Quelle sera la force due à la masse ajoutée ?
Nous devons trouver l’accélération maximale (dérivée de la vitesse comme montré dans l’exemple de traînée), qui est donnée par :
L’accélération maximale est donc :
Ensuite, le coefficient de masse ajoutée est 0,36 et notre volume de référence est 2000 mètres cubes. Nous pouvons alors calculer la force en utilisant :
F=m a=1025 \cdot 0.36 \cdot 2000 \cdot 1.23=98 \mathrm{t}Notez que pour les levages sous-marins proches du fond marin, la masse ajoutée peut augmenter en raison du confinement.
