Module sous-marin sur un câble de grue lourd traversant la zone de déferlement au crépuscule, l’eau ruisselant de la structure

Compensation passive de pilonnement

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

Principes de base de la compensation passive de pilonnement

Comment un compensateur passif de pilonnement utilise un ressort à gaz et un amortissement hydraulique pour réduire le mouvement transmis du crochet de grue à la charge utile, sans alimentation externe. Présentation des composants internes, de l’interprétation du rapport de mouvement, des choix d’amortissement et des différences entre RIGEL, ANTARES et CYGNUS.

Par Tord Martinsen, PDG · October 2025 · Révisé en August 2026 · 15 min de lecture

Application pratique : ces principes physiques fondent notre gamme passive : découvrez RIGEL Basic PHC et ANTARES Adaptive PHC.

La compensation passive de pilonnement (PHC) est une technique employée dans les opérations offshore pour réduire le mouvement vertical transmis d’un crochet de grue à une charge utile 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 monte et descend avec les vagues, le crochet de grue suit ce mouvement. Sans compensation, la charge utile subit le même mouvement, ce qui crée des charges dynamiques dangereuses lors des traversées de la zone de déferlement, des atterrissages sous-marins et d’autres opérations critiques. Un compensateur passif de pilonnement fait office de tampon en absorbant une grande partie de ce mouvement.

Vous comparez les systèmes ? Comparez les compensateurs passifs de pilonnement (RIGEL, CYGNUS et ANTARES), leurs plages de capacité, leur commande d’amortissement et leur dimensionnement selon DNV-RP-N202.

Comment fonctionne un compensateur passif de pilonnement ?

Un PHC comprend trois composants principaux :

Ressort à gaz — de l’azote sous pression fournit une force de ressort qui supporte le poids de la charge utile
Vérin hydraulique — contient de l’huile qui circule dans des orifices calibrés
Vannes d’amortissement — limitent le débit d’huile pour assurer l’amortissement et dissiper l’énergie des vagues

À l’intérieur de l’unité : vérin et accumulateur à gaz

Une recherche sur un « vérin de compensation de pilonnement » ne montre que la moitié de la machine. Le vérin de travail est suspendu en traction dans le câble de levage, mais le ressort ne se trouve pas dans le vérin. Il est logé dans un accumulateur à gaz séparé qui lui est raccordé :

L’unité est suspendue dans le câble, tige orientée vers la charge. Le volume au-dessus du piston de travail est sous vide. Sous le piston, la chambre côté tige est remplie d’huile et reliée par une restriction d’amortissement à l’accumulateur, où l’azote se trouve au-dessus de l’huile. Lorsque le crochet et la charge s’écartent, l’unité s’allonge : l’huile côté tige est refoulée à travers la restriction vers l’accumulateur, l’azote se comprime et la tension du câble augmente, cette courbe pression-volume constitue le ressort à gaz. La restriction assure l’amortissement : l’énergie des vagues quitte le système sous forme de chaleur dans l’huile qui la traverse.

Les différences entre les familles se situent côté gaz de l’accumulateur : ANTARES ajoute une vanne de charge et des bouteilles de gaz afin de pouvoir régler de nouveau le ressort entre les phases de levage ; CYGNUS comporte une vanne de purge pour le réglage du point de référence. La géométrie ci-dessus est commune à toute la famille passive.

Applications principales

Traversées de la zone de déferlement — réduction des charges dynamiques lorsque la charge utile traverse la zone des vagues
Atterrissages sous-marins — maîtrise de la vitesse d’atterrissage pour un positionnement précis
Évitement de la résonance — prévention de l’amplification du mouvement à certaines périodes de vagues
Gestion de la tension — réduction des variations de tension dans un câble ou une conduite montante tendus, dans les limites de la course et de la plage de fonctionnement configurées
Absorption des chocs — protection de la charge utile et de la grue contre les charges d’impact

Facteurs de performance du PHC

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

En bref

Vous lisez ceci pour choisir une unité ?

La suite présente la démonstration, utile si vous dimensionnez vous-même un compensateur. Si vous choisissez du matériel, voici ce qui distingue réellement les trois gammes passives.

Le plus simple

Traversées courantes de la zone de déferlement

Le cas simple : une seule fonction de compensation, avec l’amortissement réglé sur le pont et laissé inchangé pendant le levage.

SWL: 55 – 1 000 t
Course: 1.0 – 6.0 m
Amortissement: Manuel, réglé sur le pont

Plage de capacité la plus étendue

Atterrissages lourds et en eaux profondes

Grandes structures sous-marines et atterrissages profonds : la plage SWL la plus étendue de la famille, des petites unités aux levages les plus lourds.

SWL: 12.5 – 10 000 t
Course: 1.0 – 6.0 m
Amortissement: Manuel, réglé sur le pont

Le plus adaptable

Levages dont les conditions évoluent en cours d’opération

Levages sous-marins en plusieurs étapes, durant lesquels la charge varie : commande automatique de l’amortissement et capacité de levage rapide, sur batterie et sans ombilical.

SWL: 30 – 4 000 t
Course: 2.5 – 8.0 m
Amortissement: Automatique

Comparaison, alimentation et certification incluses : RIGEL, ANTARES ou CYGNUS — en un coup d’œil. Pour associer une unité à une charge utile, une course et un état de mer donnés, utilisez le sélecteur de produit.

Comment la compensation passive de pilonnement réduit-elle la vitesse d’atterrissage ?

Le pilonnement désigne le mouvement vertical, ici celui du crochet de grue, provoqué par les vagues. La compensation passive de pilonnement peut être représentée comme un système ressort-masse-amortisseur destiné à réduire le mouvement induit par les vagues sous le compensateur. Le schéma simplifié ci-dessous illustre ce cas :

Figure 1 — Modèle simplifié utilisé pour la démonstration. Le crochet de grue impose ζ cos(ωt) ; le PHC apporte la raideur k (amortissement négligé conformément aux hypothèses ci-dessous) ; la charge utile immergée, de masse m, de masse volumique 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 masse volumique ρ_w. L’axe z positif est orienté 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 utile possède les propriétés de base $rho, m, A_perp$ , respectivement la masse volumique, la masse et la surface de la charge utile perpendiculaire au mouvement de pilonnement.

Comme la charge utile est supposée immergée dans cet exemple, il importe de tenir compte de la poussée d’Archimède, de la traînée et de la masse ajoutée qui agissent sur elle. Ces trois effets modifient la réponse de façons différentes : la poussée décale la charge d’équilibre, la masse ajoutée modifie l’inertie effective et la traînée dissipe l’énergie. Chacun peut être favorable ou défavorable selon le cas et la fréquence.

Masse ajoutée

m_A = rho_w C_A V_R

Où $C_A$ est le coefficient de masse ajoutée (disponible dans DNV RP-N103) and $V_R$ 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 utile.

Poussée d’Archimède

F_B = rho_w V g

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

Ressort à gaz du PHC

Nous pouvons définir une raideur de présélection pour le ressort à gaz du PHC, sous forme de valeur sécante : la différence de force entre la course d’équilibre et la course maximale, 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. Une valeur sécante est une simplification de présélection : la raideur aux faibles mouvements à l’équilibre diffère, de sorte que les résultats ci-dessous constituent une estimation linéaire équivalente et non une propriété exacte.

Posons les hypothèses suivantes :

La longueur de course totale est $S$ , et l’équilibre se situe à mi-course.
Nous utilisons la loi des gaz parfaits avec compression adiabatique pour calculer la variation de pression.
La force d’équilibre doit être égale au poids diminué de la poussée d’Archimède.

Ces hypothèses donnent alors :

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 – 1right]

$gamma$ est l’exposant adiabatique.

Nous pouvons en outre supposer que le volume d’équilibre est défini par :

V_{mathrm{eq}} = (R – 0.5) , A_0 , S

Où $R$ est le rapport gaz/huile, défini par la configuration propre au cas de l’accumulateur et du vérin. 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 – 1right]

Que l’on peut réécrire comme suit :

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

Restriction du débit hydraulique du PHC

Le débit d’un fluide à travers une restriction s’exprime généralement comme suit :

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 de passage,
$alpha$ est le coefficient de perte de charge, et
$Delta p$ est la perte de charge.

À partir de cette relation, 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

Il convient également de noter que le signe de la force hydraulique dépend de l’extension ou de la rétraction de la tige.
Son intensité peut aussi différer en présence de clapets antiretour.

La difficulté de cette équation consiste à connaître $alpha$ , qui n’est pas facile à calculer.
Cette valeur doit être déterminée par CFD ou par mesure et peut également 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

Un modèle complet du frottement des joints dépasse le cadre de cette introduction ; en pratique, le frottement varie avec chacun des facteurs ci-dessus.

Équation différentielle

Utilisons maintenant les relations précédentes avec les hypothèses suivantes :

Le frottement des joints est négligé (il peut être important en réalité).
La restriction hydraulique est ici négligée pour conserver un modèle illustratif ; dans l’unité réelle, cette restriction constitue l’amortissement prévu et limite précisément le pic de résonance tout en contrôlant la réponse à l’atterrissage.
La traînée est négligée (cette hypothèse est acceptable pour un PHC très performant).
La raideur et l’amortissement des apparaux et du câble sont négligés.
L’hydrodynamique du PHC est négligée.
Le poids propre du PHC est négligé.

Une solution numérique plus précise intégrant tous les effets, ainsi qu’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 utile afin de déterminer son mouvement par rapport au crochet de grue.
Supposons que la direction descendante soit positive :

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

La solution en régime permanent est :

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

Nous cherchons le rapport entre le mouvement de la charge utile et celui du crochet.

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

Nous pouvons ensuite 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{2pi t}{T_p}right)}=frac{1}{displaystyleunderbrace{left(frac{m+m_A}{m}right)}_{text{Added mass}}underbrace{frac{rho}{rho-rho_w}}_{text{Buoyancy}}underbrace{frac{2pi^2}{g,T_p^2}}_{text{Wave period}}underbrace{frac{S}{left[left(frac{R-0.5}{R-1}right)^{gamma}-1right]}}_{text{PHC}}-1}

À partir de ce rapport, nous pouvons définir l’efficacité de la compensation passive de pilonnement. Si le rapport vaut 0, la charge utile ne bouge pas ; s’il est inférieur à 1, le compensateur isole la charge utile ; s’il est supérieur à 1, le mouvement est amplifié. La résonance correspond à la condition précise où le dénominateur du modèle non amorti s’annule ; l’amplification au voisinage de cette période constitue le signal d’alerte. Le calculateur ci-dessous évalue cette expression de présélection non amortie et monofréquence avec la raideur sécante ci-dessus. Il est prérempli avec les valeurs de l’exemple de calcul, à remplacer par celles de votre cas. Il ne permet pas de dimensionner une unité : l’amortissement, la traînée, les mers irrégulières, les limites de course et de pression, la vitesse d’atterrissage et les charges structurelles sont hors de ce modèle et relèvent d’une étude de levage dans CONSTELLATION.

Figure 2 — Valeur absolue du rapport de mouvement issue de l’expression ci-dessus, avec les données de l’exemple de calcul (m = 100 t, m_A = 20 t, ρ = 7 850 kg/m³, ρ_w = 1 030 kg/m³, S = 6 m et γ = 1.4) pour des rapports gaz/huile R = 4, 8 et 12. En dessous de 1.0, le PHC isole la charge utile ; à T_n , le modèle non amorti entre en résonance. L’amortissement réel limite le pic et les résultats du projet dépendent du cas considéré.

Calculateur d’efficacité de la compensation passive de pilonnement

Constantes de présélection : masse volumique de l’eau de mer ρ_w = 1 030 kg/m³, exposant adiabatique γ = 1.4 et g = 9.81 m/s².

Masse de la charge utile m (tonnes) :

Masse ajoutée mₐ (tonnes) :

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

Période des vagues Tₚ (s) :

Longueur de course S (m) :

Rapport gaz/huile R :

Saisissez les valeurs et sélectionnez Calculer.

Nous pouvons également définir la période propre 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} – 1right)}}

Exemple de calcul : interprétation du rapport de mouvement

Considérons un cas du type de celui du calculateur : une charge utile en acier de 100 t (ρ = 7 850 kg/m³) avec une masse ajoutée de 20 t , sur un PHC avec une course de 6 m 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 produisent un ressort souple.
Période propre. T_n ≈ 16 s, nettement supérieure aux vagues de 8 s ; le système fonctionne dans sa plage d’isolation.
Rapport de mouvement. L’expression ci-dessus donne ≈ 0.33: la charge utile subit environ un tiers du mouvement du crochet, soit une réduction d’environ deux tiers du mouvement induit par les vagues.

Le modèle analytique est non amorti et conservatif au voisinage de la résonance ; l’amortissement réel limite le pic et ajoute une certaine transmission dans la plage d’isolation. Pour le dimensionnement, une étude CONSTELLATION applique la solution numérique complète (état du gaz, amortissement, traînée et apparaux).

Amortissement : type et niveau

Le ressort à gaz stocke l’énergie ; l’amortisseur détermine où elle est dissipée. Sans amortissement, le compensateur est un système masse-ressort qui oscillerait à sa période propre après chaque perturbation. À mesure que le piston parcourt sa course, l’huile est forcée à travers des orifices ou des vannes de commande, et la résistance à l’écoulement convertit l’énergie cinétique en chaleur : une force qui augmente avec la vitesse, limite la résonance, amortit les transitoires et contrôle la vitesse de descente lors de l’atterrissage.

Types d’amortissement des compensateurs passifs de pilonnement : loi de force caractéristique et cas d’emploi.
Type d’amortissement	Caractéristique	Cas d’emploi
Linéaire	Force ∝ vitesse	Simple à modéliser, rare dans le matériel réel
Quadratique	Force ∝ vitesse²	Comportement naturel d’un écoulement à travers un orifice : fort à grande vitesse, modéré à faible vitesse
Variable	Orifices réglables / vannes proportionnelles	Amortissement modifié selon la phase opérationnelle : solution adaptative

TROP FAIBLERésonance dangereuse : les transitoires persistent

DANS LA PLAGE≈ 5 – 15% de la valeur critique dans les modèles de présélection de ND pour une descente normale, avec réglage au cas par cas et augmentation temporaire pour la zone de déferlement et l’atterrissage

TROP ÉLEVÉLe système se rigidifie : le mouvement du navire est transmis et l’efficacité diminue

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

Autres applications sous-marines

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

Maintien de la tension du câble pendant toute la phase d’atterrissage, ce qui évite une gîte soudaine du navire.
Réduction des charges maximales lors du relevage de la charge utile.
Mise en tension pendant la récupération sous-marine afin d’éviter une surcharge lorsque l’ensemble est fixé au fond marin.

Choix du PHC approprié

Norwegian Dynamics propose trois gammes de compensateurs passifs de pilonnement :

ANTARES PHC adaptatif — compensateur passif adaptatif de pilonnement avancé, avec commande automatique de l’amortissement, plusieurs modes de fonctionnement et profondeur nominale jusqu’à 3000m. Adapté aux opérations exigeant des performances élevées et de la flexibilité.
RIGEL PHC de base — compensateur passif de pilonnement simple, fiable et économique. Adapté aux traversées simples de la zone de déferlement et aux tâches de compensation élémentaires.
CYGNUS PHC — compensateur passif de pilonnement destiné aux levages lourds et en eaux profondes, avec des capacités de 12.5 à 10,000 tonnes. Adapté aux grandes structures sous-marines et aux atterrissages en eaux profondes.

→ 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

Comparaison des compensateurs passifs de pilonnement RIGEL, ANTARES et CYGNUS : type, amortissement, plage SWL, course, alimentation, points forts, certification et usage courant.
Propriété	Propriété	Propriété	Propriété
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	Aucune alimentation externe	Batterie — sans ombilical	Batterie — sans ombilical
Point distinctif	Unité la plus simple et la plus légère	Capacité de levage rapide	Plage de capacité lourde / eaux profondes
Certification	Conçu et classé · DNV-ST-0378 (homologation de type en cours)	Conçu et classé · DNV-ST-0378	Conçu et classé · DNV-ST-0378
Idéal pour	Traversées simples de la zone de déferlement et compensation élémentaire	Levages multiphases exigeants nécessitant un amortissement automatique	Levages sous-marins lourds et en eaux profondes

Pour une première orientation, le guide sur la compensation passive ou active de pilonnement présente les critères de choix un par un.

Compensation passive de pilonnement — questions fréquentes

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

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

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

Un ressort à gaz (azote sous pression), un vérin hydraulique dans lequel l’huile circule à travers des orifices calibrés et des vannes d’amortissement qui limitent le débit pour dissiper l’énergie.

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

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

Quand faut-il choisir un compensateur passif plutôt qu’actif ?

La solution passive est privilégiée pour sa simplicité, sa fiabilité et l’absence d’alimentation externe lors des opérations en zone de déferlement, d’atterrissage, de mise en tension et de récupération ; la solution active est réservée aux cas où le mouvement résiduel doit tendre vers zéro. La comparaison entre compensation active et passive présente les compromis.

Quel compensateur Norwegian Dynamics convient à chaque levage ?

RIGEL pour une compensation passive simple ; ANTARES lorsqu’une commande automatique de l’amortissement ou un levage rapide est nécessaire ; CYGNUS pour les levages lourds et en eaux profondes jusqu’à 10 000 t. Le tableau ci-dessus les compare point par point.

Vous choisissez un compensateur passif pour votre prochain levage ?

Nous dimensionnons les PHC selon la fenêtre opérationnelle : Hs, Tp, charge utile et profondeur d’eau. Envoyez-nous votre cas et nous vous proposerons un produit adapté.

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