Structure sous-marine sur le câble de grue descendant à travers la colonne d’eau au crépuscule

Levage sous-marin

Sous l’eau, l’eau agit avec vous — et contre vous : poussée d’Archimède, impact, traînée, masse ajoutée.

Levages sous-marins

Par Peter Wang, COO · Décembre 2025

Application pratique : Pour l’application pratique de ce sujet, voir RIGEL Basic PHC et études et analyses d’ingénierie.

Les levages sous-marins comptent parmi les opérations offshore les plus complexes, exigeant 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 importants sont la traînée et la masse ajoutée, qui augmentent tous deux le poids effectif et les charges dynamiques sur la grue et l’équipement de levage.

Comprendre ces forces est essentiel pour choisir le bon compensateur de pilonnement sous-marin 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 semblable à la traînée sur une voiture due à la résistance de l’air et varie avec le carré de la vitesse. L’ampleur de la force de traînée dépend de l’aire perpendiculaire au mouvement ainsi que du coefficient de traînée (que l’on connaît là encore des voitures qui rivalisent pour toujours avoir des coefficients de traînée plus faibles afin d’accroître leur autonomie). La principale différence par rapport à une voiture est toutefois que le fluide est l’eau et non l’air, dont la masse volumique est 1000 fois plus grande, ce qui constitue un autre facteur de la force de traînée.

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

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.

Forme	$C_D$	$A_{\perp}$	Remarques
Sphère	$C_D = 0.5$	$A_{\perp} = \pi r^2$
Cylindre horizontal	$C_D = 1.2$	$A_{\perp} = 2 r L$
Cylindre vertical	$\frac{L}{2r}=0.5 \Rightarrow C_D=1.1$ $\frac{L}{2r}=1 \Rightarrow C_D=0.9$ $\frac{L}{2r}=2 \Rightarrow C_D=0.9$ $\frac{L}{2r}=4 \Rightarrow C_D=0.9$ $\frac{L}{2r}=8 \Rightarrow C_D=1.0$	$A_{\perp} = \pi r^2$
Cube	$C_D = 1.05$	$A_{\perp} = a^2$	Face normale à l’écoulement.
Cône	$C_D = 0.50$	$A_{\perp} = \pi r^2$	Pointe alignée avec l’écoulement ; dépend de l’angle du cône.
Plaque rectangulaire	$C_D = 1.1+0.02 (\frac{L}{W}+\frac{W}{L})$	$A_{\perp} = L W$	Normale à l’écoulement.

Prenons un exemple pratique pour se faire une idée de 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 des vagues est de 8 secondes et la hauteur des vagues est de 4 m ; supposons des vagues sinusoïdales. Quelle sera l’ampleur de la force ?

Trouvons d’abord la vitesse maximale ; le mouvement de la vague est donné par

z = \zeta \cos(\omega t)

On trouve donc la vitesse maximale en cherchant le maximum de la dérivée, qui est :

\dot{z}_{\text{max}} = \zeta \, \omega

Comme $\omega = \frac{2 \pi}{T_p}$ nous avons alors une vitesse maximale de 1.57 m/s.

Nous pouvons alors calculer le coefficient de traînée :
$C_D = 1.1 + 0.02 \left( \frac{15}{10} + \frac{10}{15} \right) = 1.14$

Notre aire de traînée est :

A_\perp = 10 \cdot 15 = 150 \,\mathrm{m^2}

Nous pouvons alors calculer la force de traînée maximale, qui est :

F_D = \tfrac{1}{2}\cdot 1025\cdot 1.14 \cdot 150\cdot 1.57^2 \approx 216\,\mathrm{kN} \approx 22\,\mathrm{t}

Figure 1 — Traînée sur la plaque d’exemple (C_D = 1.14, A⊥ = 150 m²). La traînée croît avec le carré de la vitesse : à la vitesse de pilonnement maximale de l’exemple ζω = 1.57 m/s, elle atteint ≈22 t. Diviser par deux la vitesse relative — ce que fait la compensation de pilonnement — réduit la force de traînée au quart.

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 engendrer une inertie additionnelle importante, qui à son tour peut engendrer d’importantes forces dynamiques. Elle vient du fait que lorsqu’une charge oscille dans l’eau sous l’effet du mouvement de pilonnement, elle doit aussi accélérer l’eau environnante, et mathématiquement elle est donnée 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.

Forme	$C_A$	$V_R$	Remarques
Sphère	$C_A = 0.5$	$V_R = \frac{4}{3}\pi r^3$	Constant dans toutes les directions.
Cylindre	$\frac{L}{2r}=1.25 \Rightarrow C_A=0.62$ $\frac{L}{2r}=2.5 \Rightarrow C_A=0.78$ $\frac{L}{2r}=5 \Rightarrow C_A=0.90$ $\frac{L}{2r}=9 \Rightarrow C_A=0.96$ $\frac{L}{2r}=\infty \Rightarrow C_A=1.00$	$V_R = \pi r^2 L$	Mouvement vertical selon l’axe du cylindre dans un fluide infini.
Plaque rectangulaire	$\frac{L}{W}=1 \Rightarrow C_A=0.58$ $\frac{L}{W}=2 \Rightarrow C_A=0.76$ $\frac{L}{W}=4 \Rightarrow C_A=0.87$ $\frac{L}{W}=8 \Rightarrow C_A=0.93$ $\frac{L}{W}=\infty \Rightarrow C_A=1.00$	$V_R = \frac{\pi}{4}W^2 L$	Mouvement normal à la surface.
Disque circulaire	$C_A = \frac{2}{\pi}$	$V_R = \frac{4\pi}{3} r^3$	Mouvement normal à la surface.
Prisme carré	$\frac{L}{W}=1 \Rightarrow C_A=0.68$ $\frac{L}{W}=2 \Rightarrow C_A=0.36$ $\frac{L}{W}=4 \Rightarrow C_A=0.19$ $\frac{L}{W}=10 \Rightarrow C_A=0.08$	$V_R = W^2 L$	Corps prismatique à base carrée.

Prenons 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 des vagues est de 8 secondes et la hauteur des vagues est de 4 m ; supposons des vagues sinusoïdales. Quelle sera l’ampleur de 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 :

\ddot{z}_{\text{max}} = \zeta \, \omega^2

Ainsi l’accélération maximale est :

\ddot{z}_{\text{max}}=2 \cdot \left(\frac{2\pi}{8}\right)^2 = 1.23 \,\mathrm{m/s^2}

Ensuite, le coefficient de masse ajoutée est 0.36 et notre volume de référence est de 2000 mètres cubes. Nous pouvons alors calculer la force à l’aide de :

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.

Du pont au fond marin, en une seule descente

Une descente continue : le compensateur est verrouillé sur le pont, se déverrouille juste au-dessus de la surface, puis change de mode gaz à mesure que la charge s’immerge — rigide à la traversée de la zone de marnage, souple pour une pose en douceur.

1Sur le pont — gréée et soulevée du pont ; le compensateur verrouillé → 2Zone de marnage — passage par-dessus bord à travers la zone des vagues ; impact et charges de choc contrôlés → 3Descente — à travers la bande de résonance de pilonnement ; la traînée et la masse ajoutée s’accumulent → 4Pose — pose en douceur sur la réaction du sol

ANTARES compensation de pilonnement passive adaptative, du pont au fond marin — simulée dans CONSTELLATION. Pour l’analyse complète de la fenêtre opérationnelle H_s×T_p d’un levage de ce type, voir l’analyse d’opérabilité.

Les quatre forces, en un tableau

La traînée et la masse ajoutée sont les deux calculées ci-dessus — la poussée d’Archimède et l’impact complètent le tableau, et chaque phase du levage est régie par une force différente :

Force	Varie avec	Quand elle domine	Effet sur le levage
Poussée d’Archimède	Volume déplacé (ρ_wVg)	Dès l’entrée dans l’eau ; varie rapidement lors de la traversée de la surface	Le poids effectif chute et fluctue — risque de câble mou
Impact	Vitesse d’impact à l’entrée dans l’eau	Zone de marnage	Pics de charge courts et brutaux sur la charge et le gréement
Traînée	Vitesse au carré (½ρ_wC_DA_⊥v²)	Descente immergée à travers les vagues et le courant	≈ 22 t sur la plaque d’exemple à la vitesse de pilonnement maximale
Masse ajoutée	Accélération (ρ_wC_AV_R × a)	Toute oscillation ; augmente à proximité du fond marin (confinement)	≈ 98 t de force d’inertie supplémentaire dans l’exemple ci-dessus

La zone de marnage cumule impact, poussée d’Archimède à variation rapide et vitesse des particules d’eau en quelques mètres de course — voir la traversée de la zone de marnage et la référence méthodologique DNV-RP-N103.

Des forces de cette ampleur — une force d’inertie de ≈98 t s’ajoutant au poids statique — expliquent pourquoi les levages sous-marins lourds reposent sur un compensateur passif dimensionné pour le cas. Il réduit la vitesse et l’accélération relatives (en effondrant la traînée en v² et la force de masse ajoutée) et maintient le câble sous tension pour qu’aucun phénomène de mou–à-coup ne puisse se développer. Pour la gamme lourde et grande profondeur, ce compensateur est CYGNUS (12.5–10 000 t) ; RIGEL et ANTARES couvrent les cas standard et adaptatif.

Vitesse de pose : le dernier demi-mètre

L’impact au contact avec le fond varie avec la vitesse — et sans compensation, cette vitesse est déterminée par le pilonnement du navire, que personne ne contrôle. Une pose brutale ou avec rebond risque :

Endommagement de l’équipement — surfaces de précision et joints des manifolds, arbres et gabarits Dommages structurels — les mudmats flambent ou s’enfoncent excessivement sous l’impact Défaut d’alignement — un rebond au contact avec le fond laisse la charge mal positionnée pour les raccordements ultérieurs

Une pose compensée supprime la composante de pilonnement (la charge descend à la vitesse du treuil, et non treuil plus pilonnement) et augmente l’amortissement pour l’approche finale, transformant le contact avec le fond en une décélération contrôlée — typiquement 0.1–0.5 m/s, réglée par l’opérateur et largement indépendante de l’état de mer :

1Approche — descendre à quelques mètres au-dessus du fond marin sous compensation normale → 2Descente finale — amortissement augmenté, le treuil dévidant à vitesse contrôlée → 3Toucher du fond — contact à 0.1–0.5 m/s ; pilonnement résiduel absorbé pour que la charge ne rebondisse pas → 4Pose — tension du câble relâchée progressivement ; le compensateur empêche les charges de choc à mesure que le fond marin reprend le poids

L’amortissement réglable est la caractéristique clé pour les opérations de pose : ANTARES ajoute un ressort à gaz adaptatif et un verrouillage de tige pour maintenir la charge en sécurité après la pose ; lorsqu’une vitesse de descente exacte doit être précisément réglée, un système actif fournit ce contrôle. La physique du rapport de mouvement derrière les poses en douceur est détaillée dans les bases de la compensation de pilonnement passive.

Ce que la profondeur fait au compensateur

Les quatre forces ci-dessus agissent sur la charge. Trois autres effets agissent sur le compensateur lui-même lors de sa descente — chacun décalant l’unité de son point de fonctionnement — et un quatrième est écarté par la rigueur d’ingénierie :

Effet	Effet sur le compensateur	La réponse
Poussée d’Archimède	Le poids net de la charge chute dans l’eau → la position d’équilibre se déplace vers l’intérieur, dans le pire des cas jusqu’à la rétraction complète	Adaptatif : pression de gaz réduite, équilibre recentré — et une période propre plus longue en prime
Température	≈ 1 % de la pression de gaz par 3 °C de refroidissement — soit environ 5 % de la course — perdus rapidement à travers la thermocline	Adaptatif : le gaz haute pression embarqué la rétablit
Pression de l’eau	≈ 1 bar par 10 m de profondeur agit sur la section de la tige et pousse la tige vers l’intérieur — un levage de 250 t avec une tige de 180 mm à 1,000 m subit ≈ 26 t, décalant l’équilibre de la mi-course à ≈⅙ de la course	Adaptatif : pression réduite avec la profondeur
Fuite	Entrée d’eau — historiquement, cela va de la perte de performance à la corrosion, voire à des explosions	Conception + essais + maintenance : joints doubles, essais de pression externe au FAT, compartimentation, remplacement programmé des joints

Les trois premiers sont des problèmes d’équilibre qu’une unité adaptative corrige à la volée ; le quatrième relève de la rigueur d’ingénierie.

Quelle est l’importance de la température ?

Environ 1 % de la pression de gaz par 3 °C de refroidissement — soit environ 5 % de la course — et l’essentiel se produit rapidement à travers la thermocline. Les unités adaptatives injectent du gaz haute pression embarqué pour maintenir la pression.

Quel effet la pression en profondeur a-t-elle sur le compensateur ?

Environ 1 bar par 10 m agit sur la section de la tige et pousse la tige vers l’intérieur. Exemple : un levage de 250 t avec une tige de 180 mm à 1,000 m acquiert ≈ 26 t de force de rétraction, déplaçant l’équilibre de la mi-course à environ un sixième. L’ajustement adaptatif de la pression supprime ce décalage.

Comment les fuites d’eau dans le compensateur sont-elles évitées ?

Joints doubles sur deux surfaces d’étanchéité différentes sur tous les volumes, essais de pression externe au FAT, compartimentation pour contenir toute fuite, essais de joint arrière réalisables en mer lors de la maintenance régulière, remplacement programmé des joints — et des options de redondance pour les opérations critiques.

Pourquoi choisir un compensateur adaptatif pour les travaux en profondeur ?

Parce que la poussée d’Archimède, le refroidissement et la pression en profondeur décalent tous le point de fonctionnement, et qu’une unité adaptative les corrige tous les trois automatiquement — restant centrée et souple sur toute la colonne d’eau au lieu de dériver de son point de conception.

Levage sous-marin — questions fréquentes

Pourquoi un levage sous-marin est-il plus difficile qu’un levage dans l’air ?

L’eau riposte de quatre façons : la poussée d’Archimède modifie le poids effectif, l’impact frappe à l’entrée dans l’eau, la traînée résiste avec le carré de la vitesse, et la masse ajoutée rend la charge effectivement plus lourde chaque fois qu’elle accélère. Chaque phase a une force dominante différente.

Quelle importance peut prendre la traînée ?

Dans l’exemple détaillé ci-dessus, une plaque de 15 × 10 m à une vitesse de pilonnement maximale de 1.57 m/s subit ≈ 216 kN ≈ 22 t. La traînée croît avec v² — divisez par deux la vitesse relative et la force chute au quart.

Qu’est-ce que la masse ajoutée en pratique ?

L’eau que la charge doit accélérer avec elle-même. L’exemple de la plaque de 20 × 10 m acquiert ≈ 98 t de force d’inertie dans des vagues de 8 secondes — et l’effet augmente à proximité du fond marin par confinement, ce qui compte lors de la pose.

Quelle force domine dans la zone de marnage ?

L’impact plus la poussée d’Archimède à variation rapide, s’ajoutant à la vitesse des particules d’eau — la pire combinaison de tout le levage, concentrée en quelques mètres. Elle dimensionne le compensateur plus souvent que toute autre phase.

Comment la compensation de pilonnement protège-t-elle le levage ?

En réduisant la vitesse et l’accélération relatives entre le crochet et la charge — en effondrant à la fois la traînée en v² et la force de masse ajoutée pilotée par l’accélération — et en maintenant la tension dans le câble pour qu’aucun événement de mou–à-coup ne puisse se développer. Côté produit : CYGNUS pour le lourd/grande profondeur, RIGEL pour les cas passifs standard, ANTARES lorsque le contrôle automatique de l’amortissement est avantageux.

Vous travaillez sur un levage qui en a besoin ?

Nous dimensionnons les compensateurs face à la traînée, la masse ajoutée et la charge de choc — envoyez le cas de levage sous-marin pour obtenir un produit recommandé et des dimensions (pour les levages lourds, typiquement le CYGNUS compensateur de pilonnement passif).

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