Navire de construction offshore pour levage lourd à l'heure bleue, descendant une structure sous-marine sur un câble de grue unique et tendu à travers la surface de la mer

CENTRE DE CONNAISSANCES / LEVAGE SOUS-MARIN

Levages sous-marins

Comprendre les forces hydrodynamiques du pont au fond marin.

Par Peter Wang, directeur des opérations · Décembre 2025 · Révisé Août 2026 · 15 min de lecture

COMMENCER PAR LES FACTEURS DE CHARGE

Quatre forces à distinguer.

La flottabilité, le slamming, la traînée et la masse ajoutée affectent le levage de différentes manières. Plusieurs peuvent agir pendant une même phase ; leur réponse combinée nécessite le modèle de levage.

Flottabilité

Varie avec: Volume déplacé (ρ_wVg)
Où en tenir compte: Dès l’entrée dans l’eau ; varie rapidement pendant la traversée de la surface
Effet / exemple publié: Le poids effectif chute et fluctue — risque de câble détendu

Slamming

Varie avec: Vitesse d’impact à l’entrée dans l’eau
Où en tenir compte: Zone de déferlement
Effet / exemple publié: Pics de charge brefs et intenses sur la charge utile et l’élingage

Traînée

Varie avec: Vitesse au carré (½ρ_wC_DA_⊥v²)
Où en tenir compte: Descente immergée à travers les vagues et le courant
Effet / exemple publié: ≈ 22 t sur la plaque de l’exemple à la vitesse relative prescrite

Masse ajoutée

Varie avec: Accélération (ρ_wC_AV_R × a)
Où en tenir compte: Toute oscillation ; augmente près du fond marin (confinement)
Effet / exemple publié: ≈ 93 t (908 kN) de force inertielle supplémentaire dans l’exemple distinct du prisme ci-dessous

La zone de déferlement cumule slamming, flottabilité à variation rapide et vitesse des particules de houle sur quelques mètres de déplacement — voir la traversée de la zone de déferlement et la référence méthodologique DNV-RP-N103.

LES EXEMPLES DÉTAILLÉS PUBLIÉS

Deux corps. Deux calculs distincts.

Les exemples donnent un ordre de grandeur des forces. Ils ne décrivent pas deux forces sur la même charge utile.

A / TRAÎNÉE

Plaque rectangulaire de 15 × 10 m

Vitesse relative prescrite normale à la plaque

Vitesse: 1.57 m/s
Surface projetée: 150 m²
Coefficient de traînée: 1.14

≈216 kN≈22 tonnes-force

Lire le calcul de traînée →

B / FORCE DE MASSE AJOUTÉE

Prisme carré de 10 × 10 × 20 m

Accélération prescrite le long du grand axe du prisme

Accélération: 1.23 m/s²
Volume de référence: 2,000 m³
Coefficient de masse ajoutée: 0.36

≈908 kN≈93 tonnes-force

Lire le calcul de masse ajoutée →

Ne pas additionner ces deux résultats.

Ils utilisent des corps différents. Pour un mouvement sinusoïdal, les pics de vitesse et d’accélération sont également décalés d’un quart de période. Le pic combiné pour un levage réel provient de la réponse couplée dans le domaine temporel.

Ce que supposent ces valeurs de présélection

Les deux exemples détaillés de cette page sont des calculs de présélection. Ils sont là pour donner un ordre de grandeur aux forces, non pour produire une charge de dimensionnement. Plus précisément :

La vitesse relative est prescrite, non déduite. Les deux exemples tirent le mouvement directement d’une sinusoïde de la hauteur et de la période indiquées (ζω pour la vitesse, ζω² pour l’accélération). Un levage réel obtient le mouvement relatif charge utile-eau à partir du modèle couplé — RAO du navire, réponse de la tête de grue, commande du treuil, dynamique du câble, état du compensateur et la cinématique propre des particules d’eau.
La traînée et la masse ajoutée n’atteignent pas leur pic au même instant. Sur une sinusoïde, le pic de vitesse et le pic d’accélération sont décalés d’un quart de période, de sorte que la traînée de ≈22 t et la force de masse ajoutée de ≈93 t ne peuvent pas simplement s’additionner pour obtenir une charge de pic. La charge combinée est un résultat dans le domaine temporel.
Deux corps différents. L’exemple de traînée est une plaque rectangulaire de 15 × 10 m ; l’exemple de masse ajoutée est un prisme carré de 10 × 10 × 20 m. Chacun a été choisi pour correspondre à une ligne de la table de coefficients dont il est tiré, si bien que les deux valeurs de force ne sont pas deux forces sur une même charge utile.
Les coefficients sont des valeurs en fluide infini. Les valeurs des tables de DNV-RP-N103 ne comportent aucune correction pour la surface libre ou la proximité du fond marin. Près du fond marin, la masse ajoutée augmente par confinement — c’est précisément là que se produit l’atterrissage.
La flottabilité et le slamming sont exclus des deux. Ils sont traités dans la vue d’ensemble des quatre forces ci-dessus ; dans la zone de déferlement, ils sont généralement gouvernants.

Pour un levage à planifier, ce sont les données que remplace une présélection CONSTELLATION par des valeurs propres au cas — voir le cas modélisé détaillé pour ce qu’une simulation entièrement spécifiée indique sur elle-même.

Le guide technique complet suit, avec les tables de coefficients originales, les équations, la séquence opérationnelle et les références justificatives.

Les levages sous-marins comptent parmi les opérations offshore les plus complexes ; ils exigent une planification rigoureuse pour tenir compte des forces hydrodynamiques agissant sur la charge utile lors de son déplacement dans l’eau. Les deux effets les plus importants sont la traînée et la masse ajoutée, qui augmentent tous deux les charges dynamiques sur la grue et l’équipement de levage : la traînée croît avec la vitesse, la masse ajoutée avec l’accélération.

Comprendre ces forces est essentiel pour sélectionner le bon compensateur de pilonnement sous-marin et pour 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 d’une voiture due à la résistance de l’air, et varie avec le carré de la vitesse — la vitesse de la charge utile à travers l’eau qui l’entoure, et non sa vitesse par rapport au fond marin. L’ampleur de la force de traînée dépend de la surface perpendiculaire au mouvement ainsi que du coefficient de traînée (que l’on connaît là encore des voitures, qui rivalisent pour toujours avoir un coefficient de traînée plus faible afin d’accroître leur autonomie). La principale différence avec une voiture est toutefois que le fluide est de l’eau plutôt que de l’air, l’eau étant environ 1,000 fois plus dense, 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 présentés ci-dessous) et $\dot z$ est la vitesse verticale de la charge utile par rapport à l’eau qui l’entoure. Le mouvement de la grue et du treuil ainsi que la vitesse propre des particules d’eau y contribuent tous ; l’exemple détaillé ci-dessous prescrit cette vitesse relative comme donnée de présélection plutôt que de la déduire d’un modèle de réponse du navire.

Coefficients de traînée par forme — DNV-RP-N103 table de référence

Coefficients de traînée et surfaces projetées par forme, pour les calculs de traînée des levages sous-marins.
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 l’ordre de grandeur. Supposons que vous leviez une charge utile en forme de plaque rectangulaire de 15 m de longueur et 10 m de largeur. La période de vague est de 8 secondes et la hauteur de vague est de 4 m ; on suppose des vagues sinusoïdales. Quelle sera l’ampleur de la force ?

Déterminons d’abord la vitesse de pic ; le mouvement de la vague est donné par

z = \zeta \cos(\omega t)

On trouve donc la vitesse de pic en cherchant le maximum de la dérivée, soit :

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

Puisque $\omega = \frac{2 \pi}{T_p}$ on obtient alors une vitesse de pic de 1.57 m/s.

On peut ensuite calculer le coefficient de traînée comme suit :
$C_D = 1.1 + 0.02 \left( \frac{15}{10} + \frac{10}{15} \right) = 1.14$

Notre surface de traînée est :

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

On peut ensuite 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 de l’exemple (C_D = 1.14, A⊥ = 150 m²). La traînée croît avec le carré de la vitesse : à la vitesse de pilonnement de pic de l’exemple, ζω = 1.57 m/s, elle atteint ≈22 t. La loi étant quadratique, diviser par deux la vitesse relative divise la traînée par quatre. La part de cette réduction qu’un compensateur apporte réellement sur un levage donné est un résultat du modèle couplé, non une propriété fixe de l’unité.

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 supplémentaire importante, laquelle peut à son tour engendrer d’importantes forces dynamiques. Elle vient du fait que, lorsqu’une charge utile oscille dans l’eau sous l’effet du pilonnement, elle doit aussi accélérer l’eau environnante ; mathématiquement, elle s’exprime comme :

$m_A = \rho_w C_A V_R$

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.

Coefficients de masse ajoutée par forme — DNV-RP-N103 table de référence

Coefficients de masse ajoutée et volumes de référence par forme, pour les calculs de masse ajoutée des levages sous-marins.
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 le long de l’axe du cylindre en 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 utile en forme de prisme carré — un caisson de 10 m × 10 m, long de 20 m, se déplaçant le long de son grand axe. La période de vague est de 8 secondes et la hauteur de vague est de 4 m ; on suppose des vagues sinusoïdales. Quelle sera l’ampleur de la force due à la masse ajoutée ?

Il faut trouver l’accélération maximale (dérivée de la vitesse, comme montré dans l’exemple de traînée), donnée par :

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

L’accélération maximale est donc :

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

En lisant la ligne Prisme carré ci-dessus à L/W = 2, on obtient un coefficient de masse ajoutée de 0.36, et son volume de référence V_R = W²L = 10² × 20 = 2000 m³. On peut ensuite calculer la force à l’aide de :

F = m_A\,\ddot z_{\text{max}} = 1025 \cdot 0.36 \cdot 2000 \cdot 1.23 \approx 908\,\mathrm{kN} \approx 93\,\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 passe

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 dans le déferlement, souple pour une pose en douceur.

1Sur le pont — élingué et levé ; compensateur verrouillé → 2Zone de déferlement — mise à l’eau à travers la zone de vagues ; slamming et charge de choc vérifiés → 3Descente — le filage du câble allonge le système suspendu et déplace sa période propre ; la traînée et la masse ajoutée suivent le mouvement relatif local → 4Atterrissage — pose en douceur sur la réaction du sol

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

Des forces de cette ampleur, une force inertielle de ≈93 t s’ajoutant au poids statique, expliquent pourquoi les levages sous-marins lourds fonctionnent avec un compensateur passif dimensionné pour le cas. Une unité correctement dimensionnée réduit la part due au mouvement de la grue dans la vitesse et l’accélération relatives de la charge utile, ce qui abaisse à la fois la traînée en v² et la force de masse ajoutée ; le mouvement propre des particules d’eau subsiste. Le fait que la tension minimale reste positive (c’est-à-dire que la séquence mou-choc soit effectivement exclue) est vérifié dans le modèle couplé du cas, non supposé. Pour la tranche lourde et grande profondeur, ce compensateur est CYGNUS (12.5–10 000 t); RIGEL et ANTARES couvrent les cas standard et adaptatif.

Vitesse d’atterrissage : le dernier demi-mètre

L’énergie de contact au sol varie avec le carré de la vitesse d’approche, et le pic de force de contact dépend de la part de cette énergie absorbée par le sol et la structure — distance de décélération, raideur de contact, amortissement et réponse du sol entrent tous en jeu. Sans compensation, la vitesse d’approche porte le pilonnement du navire en plus du régime du treuil. Un atterrissage brutal ou rebondissant risque :

Dommages à l’équipement — surfaces de précision et joints des manifolds, arbres de production et gabarits Dommages structurels — les mudmats flambent ou s’enfoncent excessivement sous l’impact Défaut d’alignement — un rebond au contact laisse la charge hors position pour les raccordements ultérieurs

Un atterrissage compensé atténue la composante de pilonnement ; la charge suit le régime du treuil de bien plus près qu’elle ne suit le navire. Augmenter l’amortissement pour l’approche finale transforme le contact en une décélération contrôlée. ND présélectionne les atterrissages par rapport à une vitesse de contact de 0.5 m/s, la limite d’acceptation que nous appliquons selon DNV-RP-N103. La compensation passive atténue le mouvement du navire plutôt qu’elle ne l’élimine, si bien que la vitesse réellement atteinte reste dépendante de l’état de mer et est confirmée au cas par cas par rapport à la commande du treuil, la réponse du navire et l’état du compensateur :

1Approche — descente jusqu’à quelques mètres au-dessus du fond marin sous compensation normale → 2Descente finale — amortissement augmenté, treuil filant à un régime contrôlé → 3Contact au sol — 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 évite les charges de choc à mesure que le fond marin reprend le poids

L’amortissement réglable est la caractéristique clé pour les travaux d’atterrissage : 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 réglée précisément, un système actif assure ce contrôle. La physique du rapport de mouvement à l’origine des atterrissages en douceur est présentée dans les principes de base de la compensation passive de pilonnement.

Ce que la profondeur fait au compensateur

Les quatre forces ci-dessus agissent sur la charge utile. Trois autres effets agissent sur le compensateur lui-même à mesure qu’il descend, chacun déplaçant l’unité hors de son point de fonctionnement, et un quatrième est tenu à distance par la rigueur d’ingénierie :

Effets de la profondeur et de la température sur un compensateur passif de pilonnement — ce que fait chacun au compensateur et comment il est traité.
Effet	Ce qu’il fait au compensateur	La réponse
Flottabilité	Le poids net de la charge utile chute dans l’eau → la position d’équilibre se déplace vers l’intérieur, dans le pire cas jusqu’à la rétraction complète	Adaptatif : pression de gaz réduite, équilibre recentré — avec, en prime, une période propre allongée
Température	La pression de gaz diminue avec le refroidissement pendant la descente ; le coût en course dépend du volume de gaz, de la précharge et du profil de descente, et l’essentiel survient rapidement à la traversée de la thermocline	Adaptatif : du gaz haute pression embarqué la rétablit
Pression de l’eau	≈ 1 bar par 10 m de profondeur agit sur la surface 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, déplaçant l’équilibre du mi-course à ≈⅙ de la course	Adaptatif : pression ajustée à la baisse avec la profondeur
Fuite	Infiltration d’eau — historiquement, de la perte de performance à la corrosion jusqu’aux explosions	Conception + essais + maintenance : joints doubles, essai 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 ?

La pression de gaz diminue avec le refroidissement pendant la descente ; le coût en course dépend du volume de gaz, de la précharge et du profil de descente, et l’essentiel du changement survient rapidement à la traversée de la thermocline. Les unités adaptatives injectent du gaz haute pression embarqué pour maintenir la pression.

Que fait la pression de profondeur au compensateur ?

Environ 1 bar par 10 m agit sur la surface 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 subit ≈ 26 t de force de rétraction, déplaçant l’équilibre du mi-course à environ un sixième. L’ajustement adaptatif de la pression supprime ce déplacement.

Comment l’infiltration d’eau dans le compensateur est-elle évitée ?

Joints doubles sur deux surfaces d’étanchéité distinctes sur tous les volumes, essai de pression externe au FAT, compartimentation pour contenir toute fuite, essai de contre-étanchéité réalisable offshore lors de la maintenance régulière, remplacement programmé des joints — et des options de redondance pour les applications critiques.

Pourquoi choisir un compensateur adaptatif pour les travaux en grande profondeur ?

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

Levage sous-marin — questions fréquentes

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

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

Quelle ampleur les forces de traînée peuvent-elles atteindre sur un levage sous-marin ?

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

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

L’eau que la charge utile doit accélérer avec elle-même. L’exemple du prisme carré de 10 × 10 × 20 m subit ≈ 93 t de force inertielle sous des vagues de 8 secondes — et l’effet augmente près du fond marin par confinement, ce qui importe lors de l’atterrissage.

Quelle force domine la zone de déferlement ?

Le slamming, associé à une flottabilité variant rapidement, en plus de la vitesse des particules de houle — la pire combinaison de tout le levage, concentrée sur quelques mètres. C’est elle qui dimensionne le plus souvent le compensateur, plus que toute autre phase.

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

En réduisant la vitesse et l’accélération relatives entre le crochet et la charge utile, ce qui abaisse à la fois la traînée en v² et la force de masse ajoutée liée à l’accélération, et en maintenant la tension dans le câble pour qu’aucune séquence mou-choc ne puisse se développer. Côté produits : CYGNUS pour le lourd/grande profondeur, RIGEL pour les cas passifs standard, ANTARES lorsque le contrôle automatique de l’amortissement est rentable.

Vous chiffrez un levage sous-marin ?

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