Levages sous-marins

Quatre forces hydrodynamiques agissent sur une charge utile entre le pont et le fond marin : la poussée d’Archimède, l’impact à l’entrée dans l’eau, la traînée et la masse ajoutée. Voici leur effet sur la tension du câble, leur ordre de grandeur, l’importance de l’approche finale pour la pose et l’effet de la profondeur sur le compensateur.

Par Peter Wang, directeur des opérations · décembre 2025 · Mis à jour en septembre 2026 · 13 min de lecture

Compensateur passif de pilonnement RIGEL descendant un capot en GRP vers le fond marin.

En bref

Quatre forces agissent sur une charge utile dans l’eau. La poussée d’Archimède modifie son poids apparent, l’impact survient à l’entrée dans l’eau, la traînée croît avec le carré de sa vitesse relative à l’eau et la force de masse ajoutée croît avec son accélération.
Dans les exemples chiffrés, une plaque de 15 × 10 m soumise à une vitesse de 1.57 m/s subit environ 216 kN (22 t) de traînée avec le coefficient en écoulement permanent, ou environ 474 kN (48 t) selon la valeur de DNV-RP-N103pour la zone de déferlement, tandis qu’un prisme de 10 × 10 × 20 m accéléré à 1.23 m/s² subit environ 908 kN (93 t) de force de masse ajoutée.
Un compensateur de pilonnement dimensionné pour le cas réduit la part du mouvement de la grue dans la vitesse et l’accélération de la charge utile par rapport à l’eau. Il diminue ainsi ces deux forces et maintient le câble en tension jusqu’à la pose.
L’immersion et la profondeur déplacent le point de fonctionnement du compensateur. La poussée d’Archimède et la pression de l’eau le rétractent, ce qui se corrige par une purge de gaz ; le refroidissement pendant la descente le déploie et nécessite un apport de gaz. RIGEL, CYGNUS et ANTARES sont tous donnés pour 3,000 m et se distinguent par leur recentrage : RIGEL se règle sur le pont, CYGNUS peut purger du gaz et ANTARES peut en purger et en ajouter.

Un levage sous-marin part du pont, traverse la zone de déferlement et descend dans la colonne d’eau jusqu’au fond marin. L’eau est environ 800 fois plus dense que l’air et exerce quatre types d’efforts sur la charge utile ; la force dominante change entre la zone de déferlement, la colonne d’eau et la pose.

Quatre forces à distinguer

Force	Dépend de	Où elle intervient	Son effet
Poussée d’Archimède	Volume déplacé, $\rho_w V g$	Dès l’entrée dans l’eau ; varie rapidement pendant la traversée de la surface	Réduit le poids apparent et le fait fluctuer : risque de détente du câble
Impact à l’entrée dans l’eau	Carré de la vitesse d’impact à l’entrée dans l’eau	La zone de déferlement	Pics de charge brefs et intenses dans la charge utile et les accessoires de levage
Traînée	Carré de la vitesse relative, $\tfrac{1}{2}\rho_w C_D A_\perp \dot z^{2}$	Descente sous l’effet des vagues et du courant	S’oppose au mouvement ; 22 à 48 t pour la plaque de l’exemple
Masse ajoutée	Accélération relative, $\rho_w C_A V_R\, \ddot z$	Toute oscillation ; augmente près du fond marin	Ajoute de l’inertie à chaque oscillation ; environ 93 t pour le prisme de l’exemple

La zone de déferlement concentre l’impact, les variations rapides de la poussée d’Archimède et la vitesse des particules d’eau sur quelques mètres de trajet ; le franchissement de la zone de déferlement en traite, et DNV-RP-N103 en donne la méthode. Les deux exemples chiffrés ci-dessous portent sur des corps différents : leurs résultats ne représentent donc pas deux forces agissant sur une même charge utile et ne s’additionnent pas.

Traînée

La traînée croît avec le carré de la vitesse de la charge utile par rapport à l’eau qui l’entoure, et non par rapport au fond marin. Les mouvements de la grue et du treuil ainsi que la vitesse des particules d’eau contribuent à cette vitesse relative $\dot z$ :

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

Ici, $C_D$ est le coefficient de traînée et $A_\perp$ la surface exposée à l’écoulement ; DNV-RP-N103 donne les valeurs de ces deux paramètres selon la forme. Les coefficients tabulés correspondent à un écoulement permanent. Dans l’écoulement oscillant de la zone de déferlement, la recommandation utilise un coefficient généralement deux à trois fois plus élevé et, en l’absence de CFD ou d’essais sur modèle, prescrit $C_D \ge 2.5$ pour les structures sous-marines courantes.

Exemple chiffré : une plaque de 15 × 10 m

Prenons une plaque descendue à plat dans des vagues de 4 m de hauteur et de 8 s de période, représentées par une sinusoïde d’amplitude $\zeta = H/2 = 2\ \text{m}$ . Pour ce calcul préliminaire, sa vitesse relative maximale par rapport à l’eau est déduite directement du mouvement des vagues :

\dot z_{\max} = \zeta\, \omega = 2 \cdot \frac{2\pi}{8} \approx 1.57\ \text{m/s}

Pour une plaque perpendiculaire à l’écoulement, le coefficient vaut

C_D = 1.1 + 0.02 \left( \frac{15}{10} + \frac{10}{15} \right) \approx 1.14

et, avec $A_\perp = 150\ \text{m}^2$ et $\rho_w = 1{,}025\ \text{kg/m}^3$ :

F_D = \tfrac{1}{2} \cdot 1{,}025 \cdot 1.14 \cdot 150 \cdot 1.57^{2}

F_D \approx 216\ \text{kN} \approx 22\ \text{t}

Ce résultat utilise le coefficient en écoulement permanent. Avec DNV-RP-N103pour la zone de déferlement, d’au moins 2.5, la même plaque subit environ 474 kN (48 t), soit plus du double.

Figure 1. Traînée sur la plaque de l’exemple avec le coefficient en écoulement permanent (

C_D = 1.14

A_\perp = 150\ \text{m}^2

\rho_w = 1{,}025\ \text{kg/m}^3

) en fonction de sa vitesse relative à l’eau. La force croît avec le carré de la vitesse : diviser la vitesse relative par deux réduit la traînée au quart. La part de vitesse supprimée par un compensateur pour un levage donné résulte du modèle de levage ; ce n’est pas une caractéristique propre à l’appareil.

Coefficients de traînée en écoulement permanent selon la forme (DNV-RP-N103)

Forme	$C_D$	$A_\perp$
Sphère	$0.5$	$\pi r^2$
Cylindre horizontal	$1.2$	$2 r L$
Cylindre vertical	$1.1$ pour $L/2r = 0.5$ , $0.9$ de $1$ à $4$ , $1.0$ pour $8$	$\pi r^2$
Cube, face perpendiculaire à l’écoulement	$1.05$	$a^2$
Cône, pointe dans l’écoulement	environ $0.5$ , selon l’angle	$\pi r^2$
Plaque rectangulaire, perpendiculaire à l’écoulement	$1.1 + 0.02\,(L/W + W/L)$	$L W$

Masse ajoutée

Une charge utile qui accélère dans l’eau doit aussi accélérer une partie de l’eau qui l’entoure. Cette eau agit comme une masse supplémentaire chaque fois que la charge utile accélère ou ralentit ; elle ajoute donc une force d’inertie au poids statique :

m_A = \rho_w\, C_A\, V_R

Ici, $C_A$ est le coefficient de masse ajoutée et $V_R$ le volume de référence ; tous deux sont tabulés selon la forme dans DNV-RP-N103. Près du fond marin, la masse ajoutée augmente sous l’effet du confinement, précisément là où se produit la pose.

Exemple chiffré : un prisme de 10 × 10 × 20 m

Prenons un prisme carré se déplaçant selon son axe longitudinal dans les mêmes vagues de 4 m et 8 s. Son accélération maximale vaut

\ddot z_{\max} = \zeta\, \omega^{2} = 2 \cdot \left( \frac{2\pi}{8} \right)^{2} \approx 1.23\ \text{m/s}^2

Pour $L/W = 2$ le coefficient vaut $C_A = 0.36$ , et $V_R = W^2 L = 2{,}000\ \text{m}^3$ . Donc

F = 1{,}025 \cdot 0.36 \cdot 2{,}000 \cdot 1.23

F \approx 908\ \text{kN} \approx 93\ \text{t}

Coefficients de masse ajoutée selon la forme (DNV-RP-N103)

Forme	$C_A$	$V_R$
Sphère	$0.5$ , dans toutes les directions	$\tfrac{4}{3}\pi r^3$
Cylindre, perpendiculairement à son axe (tube ou élément cylindrique descendu à l’horizontale)	$0.62$ pour $L/2r = 1.2$ , augmentant jusqu’à $1.00$ pour un cylindre long	$\pi r^2 L$
Plaque rectangulaire, perpendiculaire à l’écoulement	$0.58$ pour $L/W = 1$ , augmentant jusqu’à $1.00$ pour une plaque longue	$\tfrac{\pi}{4} W^2 L$
Disque circulaire, perpendiculaire à l’écoulement	$2/\pi$	$\tfrac{4\pi}{3} r^3$
Prisme carré, selon sa longueur	$0.68$ , $0.36$ , $0.19$ , $0.08$ pour $L/W = 1, 2, 4, 10$	$W^2 L$

Hypothèses des exemples chiffrés

La vitesse et l’accélération relatives sont déduites directement d’une sinusoïde de hauteur et de période données, et non d’un modèle de réponse du navire. Pour un levage réel, elles proviennent du modèle couplé : mouvement du navire, réponse de la tête de grue, commande du treuil, dynamique du câble, état du compensateur et mouvement propre des particules d’eau.
La traînée et la masse ajoutée n’atteignent pas leur maximum au même instant : pour une sinusoïde, leurs pics de vitesse et d’accélération sont séparés d’un quart de période. Les pics combinés proviennent d’un calcul dans le domaine temporel.
Les coefficients correspondent à un fluide infini, sans correction pour la surface libre ou le fond marin.
La poussée d’Archimède et l’impact à l’entrée dans l’eau sont exclus des deux exemples ; dans la zone de déferlement, ce sont généralement les effets déterminants.

Du pont au fond marin, une seule opération

Avec ANTARES, une opération utilise ses quatre modes :

Sur le pont : verrouillé. La charge est élinguée et décollée avec la tige verrouillée, ce qui réduit la hauteur nécessaire au levage.
Zone de déferlement. Le franchissement du bord et de la zone de vagues exige une vérification des impacts et des charges de choc ; l’appareil offre alors une raideur et un amortissement accrus.
Descente : mode sous-marin. L’appareil est plus souple dans la colonne d’eau ; la traînée et la masse ajoutée dépendent du mouvement relatif local.
Pose. Les vannes s’ouvrent et la fonction EQ est désactivée pour une pose en douceur sur le fond marin.

RIGEL et CYGNUS utilisent un seul réglage d’amortissement, choisi sur le pont pour le levage. Quel que soit l’appareil, un système passif n’isole la charge que des vagues dont la période est nettement plus courte que sa période propre ; près de celle-ci, il amplifie le mouvement. À mesure que le câble se déroule, le système suspendu s’assouplit et sa période propre augmente. À une certaine profondeur, elle peut entrer dans la gamme des périodes de vagues ; le modèle de levage vérifie la résonance pendant la descente.

Compensation passive adaptative de pilonnement ANTARES, du pont au fond marin, modélisée dans CONSTELLATION. Pour l’évaluation des états de mer d’un levage de ce type, voir l’étude préliminaire d’opérabilité.

Figure 2. La même opération, chiffrée dans CONSTELLATION : profondeur de la charge utile et tension du câble pour le manifold suspendu à ANTARES (250 t, course de 4.5 m), H_s 3.0 m et T_p 8 s dans 150 m d’eau. La bande s’étend de la tension minimale à la tension maximale pour chaque cycle de vague de 8 s. Le câble supporte environ 189 t dans l’air, puis une tension proche du poids de 168 t dans l’eau pendant la descente. Dans la zone de déferlement, les élingues restent tendues (DAF 1.13) et le manifold touche le fond à 0.11 m/s, avec un DAF de pose de 1.00 avant que le fond marin ne reprenne la charge.

Des forces de cet ordre, notamment une force d’inertie de 93 t ajoutée au poids statique, expliquent pourquoi un levage sous-marin lourd utilise souvent un compensateur passif dimensionné pour le cas. Il réduit la part du mouvement de la grue dans la vitesse et l’accélération relatives de la charge utile, ce qui diminue la traînée et la force de masse ajoutée ; le mouvement propre des particules d’eau demeure. Le maintien de la tension du câble jusqu’au fond est vérifié dans le modèle du levage concerné. Dans notre gamme, les trois appareils sont donnés pour 3,000 m : CYGNUS couvre les levages lourds jusqu’à 10,000 t, RIGEL les levages standard à partir de 55 t, et ANTARES les levages qui nécessitent des réglages distincts pour la zone de déferlement, la colonne d’eau et la pose.

Pose : l’approche finale

L’énergie à l’impact sur le fond croît avec le carré de la vitesse d’approche ; la force de contact maximale dépend de l’énergie absorbée par le sol et la structure. Sans compensation, la vitesse d’approche cumule le pilonnement du navire et la vitesse de déroulement du treuil. Une pose brutale ou avec rebond peut endommager les surfaces de précision et les joints des collecteurs, des arbres de Noël sous-marins et des gabarits, déformer les semelles d’appui ou les enfoncer excessivement, et laisser une charge mal positionnée pour les raccordements ultérieurs.

Avec un compensateur dimensionné pour l’état de mer, une bien moindre part du pilonnement du navire atteint la charge ; sa vitesse d’approche se rapproche donc davantage de celle du treuil. Nous évaluons les poses selon une vitesse de contact de 0.5 m/s, limite d’acceptation que nous appliquons dans le cadre de DNV-RP-N103. Un appareil passif réduit le mouvement du navire transmis à la charge sans le supprimer ; la vitesse effectivement atteinte dépend donc de l’état de mer et se confirme pour chaque cas.

Approche. Descendre jusqu’à quelques mètres au-dessus du fond marin sous compensation normale.
Descente finale. Sur ANTARES, passer en mode Pose et dérouler le câble à vitesse contrôlée.
Contact. Établir le contact à 0.1–0.5 m/s, en absorbant le pilonnement résiduel pour éviter le rebond de la charge.
Transfert de charge. Réduire progressivement la tension du câble ; le compensateur limite les charges de choc lorsque le fond marin reprend le poids.

Pour une pose en douceur, le mode Pose d’ANTARES ouvre ses vannes et désactive sa fonction EQ. Lorsqu’il faut maintenir une vitesse de descente précise, un système actif assure cette régulation. La physique de cette pose douce est expliquée dans compensation passive de pilonnement.

Effet de la profondeur sur le compensateur

Une fois la charge immergée, trois effets écartent le compensateur de son point de fonctionnement : la poussée d’Archimède sur la charge utile, le refroidissement du gaz et la pression de l’eau sur la tige. Un quatrième effet, la fuite, est écarté par conception. RIGEL, CYGNUS et ANTARES sont tous donnés pour 3,000 m ; ils diffèrent par leur recentrage. CYGNUS et ANTARES utilisent leur fonction d’équilibrage (EQ), qui purge le gaz sur CYGNUS et peut aussi en ajouter sur ANTARES. RIGEL n’a pas de fonction EQ : sa charge en gaz est réglée sur le pont pour le levage.

Effet	Effet sur le compensateur	Solution
Poussée d’Archimède	Le poids apparent de la charge utile diminue dans l’eau ; le point d’équilibre de l’appareil se déplace vers la rétraction, éventuellement jusqu’à la rétraction complète	Purger du gaz pour le recentrer ; sur CYGNUS, après refroidissement du gaz. CYGNUS et ANTARES peuvent tous deux le faire.
Refroidissement	Le gaz refroidit pendant la descente et sa pression baisse, surtout rapidement dans la thermocline ; la perte de course dépend du volume de gaz, de la précharge et de la descente	Ajouter du gaz depuis la bouteille embarquée. ANTARES le peut ; CYGNUS, qui ne peut que purger du gaz, ne le peut pas.
Pression de l’eau	Environ 1 bar par 10 m agit sur la tige et la repousse vers l’intérieur. Pour un levage de 250 t avec une tige de 180 mm à 1,000 m, l’eau exerce sur la tige une force d’environ 26 t vers l’intérieur, comme si la charge était passée à 224 t. Sur un appareil dont le volume de gaz est environ trois fois le volume d’huile déplacé sur toute la course, le point d’équilibre passe de la mi-course à environ un sixième de la course	Purger du gaz à mesure que l’appareil descend. CYGNUS et ANTARES peuvent tous deux le faire.
Fuite	Entrée d’eau entraînant une perte de performance et de la corrosion	Conception, essais et maintenance : doubles joints sur deux surfaces d’étanchéité, essai sous pression externe lors du FAT, compartiments confinant les fuites, remplacement programmé des joints

Exemple de pression de l’eau : l’eau de mer à 1,025 kg/m³ produit environ 10 MPa à 1,000 m, soit environ 256 kN sur une tige de 180 mm.

Ces effets se compensent partiellement. Le refroidissement se produit surtout dans la thermocline, tandis que l’effet de la pression continue de croître avec la profondeur. La purge unidirectionnelle de CYGNUS permet un levage profond si elle est différée jusqu’au refroidissement du gaz et si la course suffit à fonctionner avec un point d’équilibre décalé jusque-là. ANTARES peut ajouter du gaz depuis sa bouteille embarquée et se recentre donc à chaque étape de la descente. RIGEL effectue la descente avec la charge en gaz réglée sur le pont ; le modèle de levage vérifie que le déplacement net reste dans sa course.

Questions fréquentes

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

L’eau exerce quatre effets : la poussée d’Archimède modifie le poids apparent, l’impact survient à l’entrée dans l’eau, la traînée s’oppose au mouvement selon le carré de la vitesse relative et la force de masse ajoutée accroît l’inertie de la charge utile lorsqu’elle accélère. L’effet dominant change entre la zone de déferlement, la colonne d’eau et la pose.

Quelle peut être l’ampleur de la traînée lors d’un levage sous-marin ?

Dans l’exemple chiffré, une plaque de 15 × 10 m soumise à une vitesse relative de 1.57 m/s subit environ 216 kN, soit 22 t, avec le coefficient de traînée en écoulement permanent, et environ 474 kN, soit 48 t, avec la valeur de DNV-RP-N103de 2.5 pour la zone de déferlement. La traînée croît avec le carré de la vitesse : si la vitesse relative est divisée par deux, la force est réduite au quart.

Qu’est-ce que la masse ajoutée et quelle est son ampleur ?

C’est la masse d’eau que la charge utile doit accélérer avec elle. Dans l’exemple chiffré, le prisme de 10 × 10 × 20 m subit une force d’inertie d’environ 908 kN, soit 93 t, dans des vagues de 8 s ; la masse ajoutée augmente près du fond marin sous l’effet du confinement.

Quelle force domine dans la zone de déferlement ?

L’impact à l’entrée dans l’eau et les variations rapides de la poussée d’Archimède, auxquels s’ajoute la vitesse des particules d’eau. Concentrés sur quelques mètres de trajet, ces effets déterminent le dimensionnement du compensateur plus souvent que toute autre étape du levage.

Comment la compensation de pilonnement protège-t-elle un levage sous-marin ?

Un compensateur dimensionné pour le cas réduit la part du mouvement de la grue dans la vitesse et l’accélération de la charge utile par rapport à l’eau. Il diminue ainsi la traînée et la force de masse ajoutée, tout en maintenant le câble en tension pour limiter les épisodes de détente suivie d’une charge de choc. Un appareil passif n’isole la charge que des vagues dont la période est nettement plus courte que sa période propre ; le modèle de levage vérifie donc la résonance à mesure que le câble se déroule. Dans notre gamme, tous sont donnés pour 3,000 m : CYGNUS pour les levages lourds, RIGEL pour les levages standard, ANTARES pour ceux qui exigent des réglages distincts dans la zone de déferlement, la colonne d’eau et à la pose.

Quel compensateur convient aux grandes profondeurs ?

RIGEL, CYGNUS et ANTARES sont tous donnés pour 3,000 m ; ils se distinguent par leur recentrage lorsque la profondeur varie. La poussée d’Archimède et la pression de l’eau rétractent le compensateur et se corrigent par une purge de gaz ; le refroidissement pendant la descente le déploie et nécessite un apport de gaz. Les effets se compensent partiellement : le refroidissement se produit surtout dans la thermocline, tandis que l’effet de la pression croît avec la profondeur. RIGEL effectue la descente avec la charge en gaz réglée sur le pont ; le modèle de levage vérifie que le déplacement net reste dans sa course. CYGNUS purge du gaz et convient à un levage profond si la purge attend le refroidissement du gaz. ANTARES peut aussi ajouter du gaz depuis sa bouteille embarquée et se recentre à chaque étape.

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